Un appareil quantique utilisé pour ralentir une réaction chimique de 100 milliards de fois

Ce qui se passe en femtosecondes dans la nature peut désormais être observé en millisecondes en laboratoire.

des scientifiques en Université de Sydney Ils ont réalisé un exploit révolutionnaire en surveillant directement un processus de réaction chimique critique en utilisant un ordinateur quantique pour le ralentir d’un facteur 100 milliards de fois.

« En comprenant ces processus fondamentaux au sein et entre les molécules, nous pouvons ouvrir un nouveau monde de possibilités dans la science des matériaux, la conception de médicaments ou la récupération de l’énergie solaire », a déclaré Vanessa Olaya Agudelo, chercheuse principale et doctorante.

« Cela pourrait également contribuer à améliorer d’autres processus qui dépendent de l’interaction des molécules avec la lumière, comme la manière dont le smog est créé ou la façon dont la couche d’ozone est endommagée. »

Crédit : Sébastien Zentelomo

phénomène de réticule conique

Plus précisément, l’équipe de recherche a observé le schéma d’interférence individuelle atome Elle résulte d’une structure géométrique courante en chimie appelée « croix conique ».

Les jonctions coniques sont connues dans toute la chimie et sont essentielles aux processus photochimiques rapides tels que la collecte de lumière dans la vision humaine ou Photosynthèse.

Les chimistes ont tenté d’observer directement de tels processus d’ingénierie en dynamique chimique depuis les années 1950, mais il n’est pas possible de les observer directement en raison des échelles de temps extrêmement rapides impliquées.

Les auteurs principaux Vanessa Olaya Agudelo et le Dr Christophe Falaho devant l’ordinateur quantique du Sydney Nanoscience Center utilisé dans l’expérience. Crédit : Stephanie Zingsheim/Université de Sydney

Pour contourner ce problème, des chercheurs quantiques de la Faculté de physique et de la Faculté de chimie ont mis en place une expérience utilisant un ordinateur quantique qui a piégé les ions d’une toute nouvelle manière. Cela leur a permis de modéliser et de tracer ce problème très complexe sur une machine quantique relativement petite, puis de ralentir le processus d’un facteur 100 milliards.

Les résultats de leurs recherches sont publiés le 28 août dans la revue La chimie de la nature.

« Dans la nature, tout le processus se termine en une femtoseconde », a déclaré Mme Olaya Agudelo de la Faculté de chimie. « Cela représente un milliardième de million – ou un quadrillion – de seconde. »

« À l’aide de notre ordinateur quantique, nous avons construit un système qui nous permet de ralentir la dynamique chimique de quelques femtosecondes à quelques millisecondes. Cela nous a permis de faire des observations et des mesures significatives. »

« Cela n’a jamais été fait auparavant. »

Un paquet d’ondes évoluant autour d’une jonction conique, mesuré expérimentalement à l’aide d’un ordinateur quantique confiné à l’Université de Sydney.
Pour observer le comportement du paquet d’ondes autour d’une intersection conique simulée, les chercheurs ont utilisé un seul ion piégé : un seul atome d’ytterbium chargé piégé dans le vide par des champs électriques.
Il a ensuite été contrôlé et mesuré en appliquant une séquence complexe et précise d’impulsions laser.
Le modèle mathématique décrivant les intersections coniques du système d’ions piégés a ensuite été conçu.
L’ion a ensuite pu évoluer autour du réticule conique.
Les chercheurs ont ensuite construit un film de l’évolution des ions autour du réticule conique (voir GIF). Chaque image du GIF affiche une image montrant la probabilité de trouver l’ion à un ensemble spécifique de coordonnées.
Crédit : Université de Sydney

Le rôle de la technologie quantique

« Jusqu’à présent, nous n’avons pas pu observer directement la dynamique de la » phase géométrique «  », a déclaré le Dr Christophe Valahau, co-auteur principal de l’École de physique. Cela arrive trop vite pour être étudié expérimentalement.

« Grâce aux technologies quantiques, nous avons résolu ce problème. »

C’est comme simuler les modèles d’air autour de l’aile d’un avion dans une soufflerie, a déclaré le Dr Fallaho.

« Notre expérience n’était pas une approximation numérique du processus, mais plutôt une observation analogique directe de la dynamique quantique se déroulant à une vitesse que nous pouvons observer », a-t-il déclaré.

Dans les réactions photochimiques, telles que la photosynthèse, dans lesquelles les plantes tirent leur énergie du soleil, les molécules transfèrent l’énergie à une vitesse fulgurante, formant des zones d’échange appelées jonctions coniques.

Cette étude a ralenti la dynamique d’un ordinateur quantique et révélé les caractéristiques distinctives attendues – mais jamais vues auparavant – associées aux jonctions coniques en photochimie.

Collaboration et implications futures

Co-auteur et chef de l’équipe de recherche, professeur agrégé Ivan Casale de l’École de chimie et Nano-Institut de l’Université de SydneyIl a déclaré : « Ce résultat passionnant nous aidera à mieux comprendre la dynamique des hypervitesses – comment les molécules changent sur les échelles de temps les plus rapides.

« C’est formidable qu’à l’Université de Sydney, nous ayons accès au meilleur ordinateur quantique programmable du pays pour réaliser ces expériences. »

L’ordinateur quantique utilisé pour mener l’expérience est hébergé dans le laboratoire de contrôle quantique du professeur Michael Bircock, fondateur de la start-up quantique, x-ctrl. L’effort expérimental a été dirigé par le Dr Ting Ri Tan.

Le Dr Tan, co-auteur de l’étude, a déclaré : « Il s’agit d’une merveilleuse collaboration entre des théoriciens de la chimie et des physiciens quantiques expérimentaux. Nous utilisons une nouvelle approche en physique pour résoudre un problème de longue date en chimie.

Référence : « Observation directe du chevauchement de phases géométriques dans la dynamique autour de l’intersection conique » par C.H. Valahu, VC Olaya-Agudelo, RJ MacDonell, T. Navickas, A.D. Rao, MJ Millican, JB Pérez-Sánchez, J. Yuen-Zhou, MJ Bircock, mauvais. Humble, TR Tan et E. Casale, 28 août 2023, disponible ici. La chimie de la nature.
est ce que je: 10.1038/s41557-023-01300-3

La recherche a été financée par des subventions de l’Office of Naval Research des États-Unis. le Laboratoire des sciences physiques du Bureau de recherche de l’armée américaine ; l’activité de projets de recherche avancée pour la CIA ; Lockheed Martin; Groupe australien des sciences et technologies de la défense, Sydney Quantum ; Prix ​​de collaboration entre l’Université de Sydney et l’Université de Californie à San Diego ; e et a. harley; et grâce aux ressources informatiques de l’infrastructure informatique nationale du gouvernement australien.