量子計(jì)算機(jī)以千億億次的慢鏡頭揭示化學(xué)反應(yīng)

量子計(jì)算機(jī)可以處理傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的計(jì)算，而現(xiàn)在，澳大利亞的科學(xué)家們利用這種技術(shù)觀察到了肉眼通常無(wú)法看到的太快的東西。研究小組成功地將分子相互作用的速度放慢了1000億倍，從而觀察到了普通化學(xué)反應(yīng)中的真實(shí)情況。

Vanessa Olaya Agudelo 和 Christophe Valahu 博士在悉尼納米科學(xué)中心用于實(shí)驗(yàn)的量子計(jì)算機(jī)前原子和分子的微觀世界非常難以研究，這不僅是因?yàn)樗袞|西都非常小，還因?yàn)樗鼈儼l(fā)生的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們眼睛所能記錄的速度。例如，化學(xué)鍵的形成和斷裂以飛秒為單位，即四千萬(wàn)億分之一秒。這使得我們很難準(zhǔn)確理解一些關(guān)鍵過(guò)程中發(fā)生了什么。

在這項(xiàng)新研究中，悉尼大學(xué)的研究人員使用量子計(jì)算機(jī)放慢了其中一個(gè)超快過(guò)程。他們目睹了單個(gè)原子在遇到稱為錐形交叉點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的情況，這種結(jié)構(gòu)在光合作用等化學(xué)反應(yīng)中很常見(jiàn)。幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖直接觀察這些過(guò)程。

研究小組利用困離子量子計(jì)算機(jī)，將這一問(wèn)題映射到一個(gè)相當(dāng)小的量子設(shè)備上，從而將這一過(guò)程放慢了驚人的1000億倍。這使其達(dá)到了現(xiàn)有技術(shù)所能觀測(cè)和測(cè)量的速度。

這項(xiàng)研究的共同第一作者瓦內(nèi)薩-奧拉亞-阿古德羅（Vanessa Olaya Agudelo）說(shuō)：”在自然界中，整個(gè)過(guò)程在飛秒內(nèi)就結(jié)束了。我們利用量子計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)系統(tǒng)，可以將化學(xué)動(dòng)力學(xué)從飛秒級(jí)放慢到毫秒級(jí)。這使我們能夠進(jìn)行有意義的觀察和測(cè)量。這在以前是從未有過(guò)的。”

雖然這聽起來(lái)可能只是一種模擬，但研究小組表示，它更接近于一種受控環(huán)境實(shí)驗(yàn)，與觀察飛機(jī)氣流動(dòng)力學(xué)的風(fēng)洞一脈相承。

這項(xiàng)研究的共同第一作者克里斯托夫-瓦拉胡（Christophe Valahu）博士說(shuō)：”我們的實(shí)驗(yàn)并不是對(duì)這一過(guò)程的數(shù)字近似–這是對(duì)量子動(dòng)力學(xué)以我們可以觀察到的速度展開的直接模擬觀察。”

利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)可以幫助科學(xué)家們更好地理解分子相互作用的快節(jié)奏世界，進(jìn)而推動(dòng)一系列領(lǐng)域的進(jìn)步。

奧拉亞-阿古德羅說(shuō)：”正是通過(guò)了解分子內(nèi)部和分子之間的這些基本過(guò)程，我們才能在材料科學(xué)、藥物設(shè)計(jì)或太陽(yáng)能收集等領(lǐng)域開辟出一片新天地。它還有助于改善其他依賴分子與光相互作用的過(guò)程，例如煙霧是如何產(chǎn)生的，臭氧層是如何遭到破壞的。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然-化學(xué)》雜志上。