Wissenschaftler nutzen Quantengerät, um simulierte chemische Reaktion zu verlangsamen

Wissenschaftler der University of Sydneyhabe, zum ersten Mal, nutzte einen Quantencomputer, um einen für chemische Reaktionen entscheidenden Prozess zu konstruieren und direkt zu beobachten, indem er ihn um den Faktor 100 Milliarden verlangsamte.

Die gemeinsame leitende Forscherin und Doktorandin Vanessa Olaya Agudelo sagte: „Durch das Verständnis dieser grundlegenden Prozesse innerhalb und zwischen Molekülen können wir eine neue Welt voller Möglichkeiten in der Materialwissenschaft, dem Arzneimitteldesign oder der Gewinnung von Solarenergie eröffnen.“ Es könnte auch dazu beitragen, andere Prozesse zu verbessern, die auf der Wechselwirkung von Molekülen mit Licht beruhen, beispielsweise die Entstehung von Smog oder die Schädigung der Ozonschicht.“

Konkret beobachtete das Forschungsteam das Interferenzmuster eines einzelnen Atoms, das durch eine in der Chemie übliche geometrische Struktur namens „konischer Schnittpunkt“ verursacht wird.

Konische Schnittpunkte sind in der gesamten Chemie bekannt und für schnelle photochemische Prozesse wie die Lichtgewinnung beim menschlichen Sehen oder die Photosynthese von entscheidender Bedeutung.

Chemiker haben seit den 1950er Jahren versucht, solche geometrischen Prozesse in der chemischen Dynamik direkt zu beobachten, aber es ist aufgrund der extrem schnellen Zeitskalen nicht möglich, sie direkt zu beobachten.

Um dieses Problem zu umgehen, haben Quantenforscher der Fakultät für Physik und der Fakultät für Chemie ein Experiment entwickelt, bei dem sie einen Quantencomputer mit gefangenen Ionen auf völlig neue Weise nutzen. Dies ermöglichte es ihnen, dieses sehr komplizierte Problem zu entwerfen und auf ein relativ kleines Quantengerät abzubilden – und den Prozess dann um den Faktor 100 Milliarden zu verlangsamen.

Ihre Forschungsergebnisse werden in Nature Chemistry veröffentlicht.

„In der Natur ist der gesamte Prozess innerhalb von Femtosekunden abgeschlossen“, sagte Olaya Agudelo von der School of Chemistry. „Das ist ein Milliardstel einer Millionstel – oder ein Billiardstel – einer Sekunde. Mit unserem Quantencomputer haben wir ein System gebaut, das es uns ermöglichte, die chemische Dynamik von Femtosekunden auf Millisekunden zu verlangsamen. Dadurch konnten wir aussagekräftige Beobachtungen und Messungen durchführen. Das hat es noch nie gegeben.“

Der gemeinsame Hauptautor Dr. Christophe Valahu von der School of Physics sagte: „Bisher konnten wir die Dynamik der ‚geometrischen Phase‘ nicht direkt beobachten; es geschieht zu schnell, um es experimentell zu untersuchen. Mithilfe von Quantentechnologien haben wir dieses Problem angegangen.“

Valahu sagte, es sei so, als würde man die Luftmuster um einen Flugzeugflügel in einem Windkanal simulieren.

„Unser Experiment war keine digitale Annäherung an den Prozess – es war eine direkte analoge Beobachtung der Quantendynamik, die sich mit einer Geschwindigkeit entfaltete, die wir beobachten konnten“, sagte er.

Bei photochemischen Reaktionen wie der Photosynthese, bei der Pflanzen ihre Energie von der Sonne beziehen, übertragen Moleküle blitzschnell Energie und bilden Austauschbereiche, die als konische Schnittpunkte bekannt sind.

Diese Studie verlangsamte die Dynamik im Quantencomputer und enthüllte die verräterischen Merkmale, die mit konischen Schnittpunkten in der Photochemie vorhergesagt – aber noch nie gesehen – wurden.

Co-Autor und Leiter des Forschungsteams, außerordentlicher Professor Ivan Kassal von der School of Chemistry und dem Nano Institute der University of Sydney, sagte: „Dieses aufregende Ergebnis wird uns helfen, die ultraschnelle Dynamik besser zu verstehen – wie sich Moleküle auf schnellsten Zeitskalen verändern.“ Es ist großartig, dass wir an der Universität Sydney Zugriff auf den besten programmierbaren Quantencomputer des Landes haben, um diese Experimente durchzuführen.“

Der zur Durchführung des Experiments verwendete Quantencomputer befindet sich im Quantenkontrolllabor von Professor Michael Biercuk, dem Gründer des Quanten-Startups Q-CTRL. Die experimentellen Bemühungen wurden von Dr. Ting Rei Tan geleitet.

Tan, ein Co-Autor der Studie, sagte: „Dies ist eine fantastische Zusammenarbeit zwischen Chemietheoretikern und experimentellen Quantenphysikern. Wir nutzen einen neuen Ansatz in der Physik, um ein seit langem bestehendes Problem in der Chemie anzugehen.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Sydney veröffentlicht