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Aug 02, 2023

科学者は量子デバイスを使用して模擬化学反応を 1,000 億倍遅くする

2023 年 8 月 28 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 8 月 28 日

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シドニー大学著

シドニー大学の科学者たちは初めて、量子コンピューターを使用して、化学反応において重要なプロセスを 1,000 億倍遅くすることで設計し、直接観察しました。

共同主任研究員および博士号学生のヴァネッサ・オラヤ・アグデロ氏は、「分子内部および分子間のこれらの基本的なプロセスを理解することで、材料科学、創薬設計、または太陽エネルギー収集における新たな可能性の世界を開くことができます。」

「スモッグの生成方法やオゾン層の損傷など、光と相互作用する分子に依存する他のプロセスの改善にも役立つ可能性があります。」

具体的には、研究チームは、「円錐交差」と呼ばれる化学における一般的な幾何学的構造によって引き起こされる単一原子の干渉パターンを目撃しました。

円錐形の交差は化学全体で知られており、人間の視覚での集光や光合成などの迅速な光化学プロセスに不可欠です。

化学者は 1950 年代以来、化学力学におけるこのような幾何学的プロセスを直接観察しようと試みてきましたが、関係するタイムスケールが非常に速いことを考えると、それらを直接観察することは現実的ではありません。

この問題を回避するために、物理学部と化学学部の量子研究者は、トラップされたイオン量子コンピューターを使用したまったく新しい方法で実験を作成しました。 これにより、この非常に複雑な問題を設計して比較的小さな量子デバイスにマッピングすることができ、プロセスを 1,000 億分の 1 遅くすることができました。 彼らの研究結果は、8月28日付けでNature Chemistry誌に掲載される。

「自然界では、プロセス全体はフェムト秒以内に終了します」と化学学部のオラヤ・アグデロ氏は言う。 「これは 100 万分の 1 秒、または 1 京分の 1 秒です。

「量子コンピューターを使用して、化学力学をフェムト秒からミリ秒まで減速できるシステムを構築しました。これにより、有意義な観察と測定が可能になりました。

「これは今までに一度も行われたことがありません。」

共著者である物理学大学院のクリストフ・ヴァラフ博士は、「これまで、我々は『幾何学位相』のダイナミクスを直接観察することができなかった。それは実験的に調べるには速すぎる。

「量子技術を使用して、私たちはこの問題に対処しました。」

ヴァラフ氏は、これは風洞内で飛行機の翼の周りの空気のパターンをシミュレートするのに似ていると述べた。

「私たちの実験はプロセスをデジタルで近似したものではありません。これは、私たちが観察できる速度で展開する量子力学の直接的なアナログ観察でした。」と彼は言いました。

植物が太陽からエネルギーを得る光合成などの光化学反応では、分子が電光石火の速度でエネルギーを伝達し、円錐交差点として知られる交換領域を形成します。

この研究は、量子コンピューターのダイナミクスを減速させ、光化学の円錐交差に関連する、予測されていたがこれまでに見たことのない明らかな特徴を明らかにしました。

共著者であり研究チームリーダーである化学科およびシドニー大学ナノ研究所のイヴァン・カッサル准教授は、「この刺激的な結果は、超高速ダイナミクス、つまり分子が最速のタイムスケールでどのように変化するかをより深く理解するのに役立つだろう」と述べた。

「シドニー大学で、これらの実験を行うために国内最高のプログラム可能な量子コンピューターにアクセスできるのは素晴らしいことです。」