Wiemy, że wiele procesów chemicznych dzieje się w tak szybkim tempie, że ich przebiegu nie da się zaobserwować ludzkim okiem. Idealnie byłoby, gdyby udało się taki proces spowolnić i dokładnie się jemu przyjrzeć. Niedawne badania pokazują, że jest to wykonalne. Australijscy naukowcy wykorzystali komputer kwantowy do zaprojektowania i bezpośredniej obserwacji procesu krytycznego dla reakcji chemicznych, spowalniając go 100 miliardów razy.
- To dzięki zrozumieniu podstawowych procesów zachodzących wewnątrz cząsteczek i pomiędzy nimi możemy otworzyć cały świat nowych możliwości w materiałoznawstwie, projektowaniu leków lub pozyskiwaniu energii słonecznej – powiedziała Vanessa Olaya Agudelo, współautorka publikacji, która ukazała się na łamach pisma „Nature Chemistry” (DOI: 10.1038/s41557-023-01300-3).
W naturalnych warunkach dokonanie tego typu obserwacji byłoby niemożliwe. W tym konkretnym, przeanalizowanym przez naukowców przypadku, czas takiej reakcji mierzony byłby zaledwie w femtosekundach, które stanowią jedną trylionową część sekundy. Ale badaczom z Uniwersytetu w Sydney udało się spowolnić ten proces aż 100 miliardów razy - jego trwanie „wydłużono” z femtosekund do milisekund. A wszystko to stało się możliwe przez wykorzystanie komputera kwantowego, dzięki któremu stworzono system pozwalający na spowalnianie dynamiki takich procesów. W samym Sydney zaś znajduje się najlepszy w całej Australii komputer kwantowy, który pozwala na przeprowadzanie tego typu eksperymentów.
Zespół badawczy zaobserwował wzór interferencyjny pojedynczego atomu spowodowany przez powszechną w chemii strukturę geometryczną zwaną „przecięciem stożkowym”. Są one kluczowe dla przebiegających błyskawicznie procesów fotochemicznych. Ich przykładami są chociażby ludzkie widzenie, czy też fotosynteza. To, w jaki sposób przebiegają te procesy nurtowało naukowców już od dawna. Zaobserwowanie ich dynamiki znajdowało się na ich liście życzeń już od lat 50. XX wieku, jednakże z oczywistych względów nie było to wtedy możliwe.
Kluczem do poczynienia tego olbrzymiego postępu stał się komputer kwantowy, a konkretnie wykorzystujący technologię uwięzionych jonów. W ten sposób odwzorowano i zmapowano cały proces na bardzo niewielkim urządzeniu kwantowym, by następnie znacząco go spowolnić.
Jak komentuje to współautor publikacji dr Christophe Valahu, zastosowana metoda przypomina w pewnym sensie symulacje ruchu powietrza wokół skrzydła w tunelu aerodynamicznym. Najważniejsze jest to, że nie uzyskano w ten sposób jedynie cyfrowego oszacowania, cyfrowej wersji przebiegu procesu, którą można byłoby potem analizować. - Nasz eksperyment nie był cyfrowym przybliżeniem procesu — była to bezpośrednia, analogowa obserwacja dynamiki kwantowej – powiedział Valahu.
Nie trzeba chyba dodawać, że te przełomowe badania otworzą przed nami całkowicie nowe możliwości w zakresie chociażby inżynierii materiałowej czy produkcji leków. Nie koniec jednak na tym, ponieważ dzięki nim możemy w większym stopniu zrozumieć to, w jaki sposób powstaje smog czy też zubożeniu ulega warstwa ozonowa. Zresztą generalnie możliwe stanie się obserwowanie ultraszybkich dynamik, w przypadku których cząsteczki ulegają przemianom w niezwykle krótkim czasie.
Źródło: University of Sydney, fot. Stefanie Zingsheim/University of Sydney. Na zdjęciu Vanessa Olaya Agudelo oraz Christophe Valahu.
