Los resultados experimentales de una computadora cuántica (izquierda) que se alinean bien con la teoría (derecha) son el primer método cuántico que demuestra un efecto cuántico en la forma en que las partículas que absorben luz interactúan con los fotones entrantes. Crédito: Jacob Whitlow, Universidad de Duke

Una computadora cuántica ha ralentizado mil millones de veces los efectos cuánticos moleculares simulados, lo que ha permitido a los investigadores medirlos directamente por primera vez.

Investigadores de la Universidad de Duke han aplicado un método cuántico para observar el efecto cuántico en la forma en que las moléculas que absorben la luz interactúan con los fotones entrantes. Este efecto, conocido como cruce cónico, impone límites a los caminos que las moléculas pueden tomar para cambiar entre diferentes configuraciones.

El método de observación utiliza un simulador cuántico, que fue desarrollado a través de investigaciones en Estadísticas cuantitativasaborda una cuestión fundamental de larga data en química que es crítica para procesos como FotosíntesisVisión y fotocatálisis. También es un ejemplo de cómo se pueden utilizar los avances en la computación cuántica para estudiar ciencia básica.

Los resultados se publican el 28 de agosto en la revista Nature. La química de la naturaleza..

intersecciones cónicas

Kenneth Brown, Michael J. . «Esta limitación, llamada fase geométrica, no es imposible de medir, pero nadie ha podido hacerlo. El uso de un simulador cuántico nos ha dado una manera de verlo en su existencia cuántica natural.

Las intersecciones cónicas se pueden imaginar en forma de la cima de una montaña que toca la punta de su reflejo proveniente de la cima y controla el movimiento de los electrones entre estados de energía. La mitad inferior de la cruz cónica representa los estados de energía y las ubicaciones físicas de la molécula no excitada en su estado fundamental. La mitad superior representa la misma molécula pero con sus electrones excitados, habiendo absorbido energía de una fotopartícula entrante.

La molécula no puede permanecer en el estado superior, ya que sus electrones están fuera de posición con respecto a sus átomos anfitriones. Para volver a un estado de menor energía más favorable, los átomos de la molécula comienzan a reorganizarse para encontrarse con los electrones. El punto de encuentro de las dos montañas, la intersección cónica, marca el punto de inflexión. Los átomos pueden no lograr llegar al otro lado reajustándose a su estado original, descargando el exceso de energía en las moléculas circundantes en el proceso, o pueden hacer el cambio con éxito.

Efectos cuánticos en las moléculas.

Debido a que los átomos y los electrones se mueven tan rápido, exhiben efectos cuánticos. En lugar de tener una forma determinada (en cualquier lugar de la montaña) en un momento dado, la molécula en realidad adopta muchas formas a la vez. Se podría pensar en todos estos sitios potenciales representados por una manta que envuelve una sección de paisaje montañoso.

Sin embargo, debido a un defecto matemático en el sistema que surge de las matemáticas subyacentes, llamado fase geométrica, ciertas transformaciones moleculares no pueden ocurrir. La manta no puede envolver completamente la montaña.

«Si una molécula tiene dos caminos diferentes para llegar a la misma forma final, y esos caminos rodean una intersección cónica, entonces la molécula no puede tomar esa forma», dijo Jacob Whitlow, un estudiante de doctorado que trabaja en el desarrollo de la molécula. en el laboratorio de Brown. «Es un efecto difícil de entender, porque la fase geométrica es extraña incluso desde el punto de vista de la mecánica cuántica».

Desafíos de medición de la fase de ingeniería

Medir este efecto cuántico siempre ha sido difícil porque tiene una duración corta, del orden de femtosegundos, y es pequeño en la escala de los átomos. Cualquier interrupción del sistema impedirá su medición. Si bien se han estudiado y medido muchas piezas pequeñas del fenómeno de la cruz cónica más grande, la fase de ingeniería siempre ha eludido a los investigadores.

Computadoras cuánticas en investigación

«Si existen intersecciones cónicas, lo cual es así, entonces la fase geométrica debe estar presente», dijo Brown, quien también ocupa puestos en física y química en la Universidad de Duke. «¿Pero qué significa decir que hay algo que no se puede medir?»

En este artículo, Whitlow y sus colegas utilizan una computadora cuántica de cinco iones construida por el grupo de Joongsang Kim, profesor distinguido de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Cicciano. Una computadora cuántica utiliza láseres para manipular átomos cargados en el vacío, proporcionando un alto nivel de control. Whitlow y Guping Jia, estudiante de doctorado en el laboratorio de Brown, también ampliaron la capacidad del sistema desarrollando formas de empujar iones flotantes dentro de sus trampas electromagnéticas.

Dependiendo de cómo se mueven los iones y del estado cuántico en el que se encuentran, pueden exhibir esencialmente la misma mecánica cuántica que el movimiento de los átomos alrededor de una cruz cónica. Debido a que la dinámica cuántica de los iones atrapados es aproximadamente mil millones de veces más lenta que la dinámica de la molécula, los investigadores pudieron realizar mediciones directas de la geometría en acción.

Los resultados parecen una luna creciente bidimensional. Como se muestra en el diagrama de intersección cónica, algunas formaciones en un lado del cono no logran llegar al otro lado del cono aunque no haya una barrera de energía. Brown dice que el experimento es un gran ejemplo de cómo las rudimentarias computadoras cuánticas actuales pueden modelar y revelar el funcionamiento cuántico interno de sistemas cuánticos complejos.

«La belleza de los iones atrapados es que eliminan el entorno complejo y hacen que el sistema esté lo suficientemente limpio como para realizar estas mediciones», dijo Brown.

experiencia independiente en Universidad de Sídney, Australia también observó efectos de fase geométrica utilizando un simulador de trampa de iones cuántica. El enfoque difiere en muchos detalles técnicos, pero las observaciones generales son consistentes. El trabajo de Sydney se publicará en el mismo número de La química de la naturaleza..

Referencia: “Simulación de intersecciones cónicas con iones atrapados” Por Jacob Whitlow, Zhubing Jia, Yi Wang, Zhao Fang, Gongsang Kim y Kenneth R Brown, 28 de agosto de 2023, disponible aquí. La química de la naturaleza..
doi: 10.1038/s41557-023-01303-0

Este trabajo fue apoyado por la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (W911NF-16-1-0082), la Fundación Nacional de Ciencias (Phy-1818914, OMA-2120757) y la Oficina del DOE del Programa QSCOUT para la Investigación en Computación Científica Avanzada (DE -0019449). ) y la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-18-1-0218).