دانشمندان دانشگاه دوک از یک کامپیوتر کوانتومی برای مشاهده یک پدیده کوانتومی به نام تقاطع مخروطی (conical intersection) استفاده کرده‌اند که رفتار مولکول‌های جذب‌کننده نور را که با فوتون‌ها برهم‌کنش دارند، روشن می‌کند. این پیشرفت راه را برای درک بهتر فرآیندهای شیمیایی اساسی مانند فتوسنتز، بینایی و فوتوکاتالیز هموار می کند. این تحقیق که در مجله Nature Chemistry منتشر شده است، کاربرد محاسبات کوانتومی را در بررسی سوالات مهم علمی به نمایش می گذارد.
تقاطع های مخروطی زمانی اتفاق می افتد که دو سطح انرژی پتانسیل الکترونیکی با هم تلاقی می کنند و نقش مهمی در تعیین نتایج واکنش های فتوشیمیایی دارند. فاز هندسی مرتبط با تقاطعات مخروطی مدت‌هاست که نظریه‌پردازی شده است، اما هرگز مستقیماً در یک سیستم مولکولی مشاهده نشده است. این فاز هندسی به دلیل محدودیت‌های آرایش مولکولی بین پیکربندی‌های مختلف ایجاد می‌شود.
برای مقابله با این چالش، محققان از یک شبیه‌ساز کوانتومی مبتنی بر یون‌های اتمی به دام افتاده استفاده کردند. در این تنظیم، حالت داخلی یون ها نمایانگرحالت الکترونیکی است، در حالی که حرکت هسته های اتمی در حرکت یون ها کدگذاری می شود. با دستکاری یون ها با استفاده از نیروهای نوری وابسته به حالت، این تیم یک پتانسیل الکترونیکی شبیه سازی شده ساخت.
از طریق آماده سازی حالت آدیاباتیک و اندازه گیری بعدی حرکت یون های به دام افتاده، محققان با موفقیت تجلی فاز هندسی را مشاهده کردند. این آزمایش مزیت یکپارچه‌سازی درجه‌های اسپین و حرکت را برای شبیه‌سازی کوانتومی واکنش‌های شیمیایی نشان داد.
توانایی اندازه گیری مستقیم فاز هندسی در یک سیستم مولکولی، بینش های ارزشمندی را در مورد رفتار اتم ها و الکترون ها در تقاطع های مخروطی ارائه می دهد. تلاش های قبلی برای اندازه گیری این پدیده به دلیل ماهیت گذرا و مقیاس اتمی آن با مانع روبه‌رو شده بود. استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی به محققان این امکان را داد که دینامیک کوانتومی را به میزان یک میلیارد کاهش دهند و امکان مشاهده مستقیم فاز هندسی را فراهم کنند.
این تحقیق نشان‌دهنده یک گام مهم رو به جلو در استفاده از محاسبات کوانتومی برای کشف پدیده‌های علمی بنیادی است. با استفاده از یون‌های به دام افتاده، تنظیمات آزمایشی یک محیط کنترل‌شده و بکر برای اندازه‌گیری‌های دقیق فراهم کرد. این یافته ها نه تنها درک ما از اثرات کوانتومی در مولکول ها را عمیق تر می کند، بلکه پتانسیل رایانه های کوانتومی را در کشف سیستم های کوانتومی پیچیده نیز برجسته می کند. در یک مطالعه جداگانه اما تکمیلی، محققان دانشگاه سیدنی همچنین اثرات فاز هندسی را با استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی تله یونی مشاهده کردند که مشاهدات انجام شده توسط تیم دانشگاه دوک را تایید کرد.
توانایی اندازه‌گیری و درک مستقیم فاز هندسی، راه‌های جدیدی را برای مطالعه و دستکاری واکنش‌های شیمیایی باز می‌کند که به طور بالقوه منجر به پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند علم مواد، کشف دارو و تبدیل انرژی می‌شود.
منبع
Simulating Conical Intersections with Trapped Ions” by Jacob Whitlow, Zhubing Jia, Ye Wang, Chao Fang, Jungsang Kim and Kenneth R. Brown, 28 August 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01303-0
