Quando uma molécula absorve a luz, ela passa por um turbilhão de transformações quânticas mecânicas. Os elétrons saltam entre os níveis de energia, os átomos vibram e as ligações químicas mudam – tudo dentro de milionésimos de um bilhão de segundo.
Esses processos sustentam tudo, desde a fotossíntese em plantas a danos no DNA da luz photo voltaic, a operação de células solares e terapias de câncer movidas a luz.
No entanto, apesar de sua importância, os processos químicos impulsionados pela luz são difíceis de simular com precisão. Tradicional computadores Luta porque é preciso um vasto poder computacional para simular esse comportamento quântico.
Computadores quânticospor outro lado, são os próprios sistemas quânticos – então o comportamento quântico vem naturalmente. Isso torna os computadores quânticos candidatos naturais para simular a química.
Até agora, os dispositivos quânticos eram capazes de calcular coisas imutáveis, como as energias das moléculas. Nosso estudopublicado na semana passada no Jornal da American Chemical Societydemonstra que também podemos modelar como essas moléculas mudam com o tempo.
Simulamos experimentalmente como as moléculas reais específicas se comportam após a absorção da luz.
Simulando a realidade com um único íon
Usamos o que é chamado de computador quântico de íons presos. Isso funciona manipulando átomos individuais em uma câmara de vácuo, mantidos no lugar com campos eletromagnéticos.
Normalmente, os computadores quânticos armazenam informações usando bits quânticos ou qubits. No entanto, para simular o comportamento das moléculas, também usamos vibrações dos átomos no computador chamado “modos bosônicos”.
Esta técnica é chamada de simulação mista de qudit-bóson. Reduz drasticamente o tamanho do computador quântico você precisa simular uma molécula.
O uso de uma nova técnica permite que simulações realistas sejam realizadas com pequenos computadores quânticos. Crédito da imagem: Nicola Bailey
Simulamos o comportamento das três moléculas que absorvem a luz: aleno, masatrieno e pirazina. Cada molécula apresenta interações eletrônicas e vibracionais complexas após absorver a luz, tornando -as casos de teste ideais.
Nossa simulação, que usou um laser e um único átomo no computador quântico, diminuiu esses processos em um fator de 100 bilhões. No mundo actual, as interações tomam femtossegundos, mas nossa simulação delas se desenrolou em milissegundos – subirmos o suficiente para vermos o que aconteceu.
Um milhão de vezes mais eficiente
O que torna nosso experimento particularmente significativo é o tamanho do computador quântico que usamos.
A execução da mesma simulação com um computador quântico tradicional (sem o uso de modos Bosonic) exigiria 11 qubits que realizam cerca de 300.000 operações “emaranhadas” sem erros. Isso está muito além do alcance da tecnologia atual.
Por outro lado, nossa abordagem cumpriu a tarefa, enfatizando um único íon preso com um único pulso a laser. Estimamos que nosso método seja pelo menos um milhão de vezes mais eficiente em termos de recursos que as abordagens quânticas padrão.
Também simulamos a dinâmica de “sistema aberto”, onde a molécula interage com seu ambiente. Normalmente, esse é um problema muito mais difícil para os computadores clássicos.
Ao injetar ruído controlado no ambiente do íon, replicamos como as moléculas reais perdem energia. Isso mostrou que a complexidade ambiental também pode ser capturada por simulação quântica.
O que vem a seguir?
Este trabalho é um passo importante para a química quântica. Embora os computadores quânticos atuais ainda sejam limitados em escala, nossos métodos mostram que experimentos pequenos e bem projetados já podem enfrentar problemas de interesse científico actual.
Simular o comportamento do mundo actual de átomos e moléculas é um objetivo essencial da química quântica. Isso facilitará a compreensão das propriedades de diferentes materiais e poderá acelerar os avanços em medicina, materiais e energia.
Acreditamos que, com um aumento modesto na escala – para talvez 20 ou 30 íons – simulações da Quantum poderiam enfrentar sistemas químicos muito complexos para qualquer supercomputador clássico. Isso abriria a porta para rápidos avanços no desenvolvimento de medicamentos, energia limpa e nossa compreensão elementary dos processos químicos que levam a própria vida.
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