Όταν ένα μόριο απορροφά φως, ξεκινά μια καταιγίδα κβαντομηχανικών μετασχηματισμών. Τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα, τα άτομα δονούνται και οι χημικοί δεσμοί μεταβάλλονται – όλα αυτά μέσα σε εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Αυτές οι διαδικασίες αποτελούν τη βάση για φαινόμενα όπως η φωτοσύνθεση στα φυτά, η φθορά του DNA από την ηλιακή ακτινοβολία, η λειτουργία των ηλιακών κυψελών και οι θεραπείες καρκίνου που ενεργοποιούνται από το φως. Ωστόσο, παρά τη σημασία τους, οι χημικές διεργασίες που προκαλούνται από το φως είναι δύσκολο να προσομοιωθούν με ακρίβεια.
Οι παραδοσιακοί υπολογιστές αντιμετωπίζουν σοβαρές δυσκολίες, καθώς απαιτείται τεράστια υπολογιστική ισχύς για να αναπαραχθεί η κβαντική συμπεριφορά των μορίων. Από την άλλη πλευρά, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι οι ίδιοι κβαντικά συστήματα, γεγονός που τους καθιστά ιδανικούς για την προσομοίωση χημικών διεργασιών.
Προσομοίωση πραγματικών μορίων με έναν μόνο ιόν
Μέχρι πρόσφατα, οι κβαντικές συσκευές μπορούσαν να υπολογίζουν μόνο σταθερές τιμές, όπως τις ενεργειακές καταστάσεις των μορίων. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Journal of the American Chemical Society, αποδεικνύει ότι μπορούμε πλέον να προσομοιώσουμε πώς αυτά τα μόρια αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε έναν κβαντικό υπολογιστή με παγιδευμένα ιόντα. Αυτή η τεχνολογία λειτουργεί με τη διαχείριση μεμονωμένων ατόμων σε έναν θάλαμο κενού, τα οποία συγκρατούνται στη θέση τους με ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Συνήθως, οι κβαντικοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες με τη μορφή qubits. Ωστόσο, για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά των μορίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν και τις δονήσεις των ατόμων στον υπολογιστή, γνωστές ως «βοσονικές καταστάσεις».
Αυτή η τεχνική, που ονομάζεται μεικτή προσομοίωση qudit-boson, μειώνει δραματικά το μέγεθος του κβαντικού υπολογιστή που απαιτείται για την προσομοίωση ενός μορίου.
Προσομοίωση της απορρόφησης φωτός σε τρία μόρια
Οι ερευνητές προσομοίωσαν τη συμπεριφορά τριών μορίων κατά την απορρόφηση φωτός: της αλλένης, της βουταδιένιας και της πιραζίνης. Κάθε ένα από αυτά τα μόρια χαρακτηρίζεται από σύνθετες ηλεκτρονικές και δονητικές αλληλεπιδράσεις μετά την απορρόφηση φωτός, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά παραδείγματα για τέτοιες δοκιμές.
Η προσομοίωση επιβράδυνε τις διεργασίες αυτές κατά έναν παράγοντα 100 δισεκατομμυρίων. Ενώ στον πραγματικό κόσμο οι αλληλεπιδράσεις διαρκούν femtoseconds, στην προσομοίωση εκτυλίχθηκαν σε χιλιοστά του δευτερολέπτου – αρκετά αργά ώστε οι ερευνητές να δουν τι συνέβη.
Ένα εκατομμύριο φορές πιο αποδοτική μέθοδος
Αυτό που καθιστά το πείραμα τόσο σημαντικό είναι το μικρό μέγεθος του κβαντικού υπολογιστή που χρησιμοποιήθηκε. Μια παραδοσιακή κβαντική προσομοίωση θα απαιτούσε 11 qubits και περίπου 300.000 λειτουργίες εμπλοκής (entangling operations) χωρίς σφάλματα, κάτι που υπερβαίνει τις δυνατότητες της σημερινής τεχνολογίας.
Αντίθετα, η μέθοδος των ερευνητών κατάφερε να εκτελέσει την προσομοίωση με τη χρήση ενός μόνο παγιδευμένου ιόντος και ενός παλμού λέιζερ, καθιστώντας την τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές πιο αποδοτική σε πόρους.
Επιπλέον, προσομοιώθηκαν και «ανοικτά συστήματα», όπου το μόριο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του, κάτι εξαιρετικά δύσκολο για τους κλασικούς υπολογιστές.
Το μέλλον της κβαντικής χημείας
Η μελέτη αυτή αποτελεί σημαντικό βήμα για την κβαντική χημεία. Παρότι οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι ακόμα περιορισμένης κλίμακας, οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν δείχνουν ότι μικρά, καλοσχεδιασμένα πειράματα μπορούν να λύσουν προβλήματα πραγματικής επιστημονικής αξίας.
Οι προσομοιώσεις πραγματικών ατομικών και μοριακών διεργασιών αποτελούν βασικό στόχο της κβαντικής χημείας. Αυτό θα διευκολύνει την κατανόηση των ιδιοτήτων διαφόρων υλικών και ενδέχεται να επιταχύνει ανακαλύψεις στη φαρμακευτική, τα υλικά και την ενέργεια.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι με μια μικρή αύξηση στην κλίμακα – περίπου 20 ή 30 ιόντα – οι κβαντικές προσομοιώσεις θα μπορούσαν να αντιμετωπίσουν χημικά συστήματα πολύπλοκα για οποιονδήποτε κλασικό υπερυπολογιστή, ανοίγοντας τον δρόμο για ταχύτερες ανακαλύψεις στην ανάπτυξη φαρμάκων, την καθαρή ενέργεια και την κατανόηση των χημικών διεργασιών που υποστηρίζουν τη ζωή.
