استخدم العلماء في جامعة سيدني جهاز كمبيوتر كميًا لإبطاء عملية تفاعل كيميائي رئيسية ومراقبتها مباشرة، وفتح تفاصيل لم يسبق لها مثيل بسبب التأخير السريع. يقدم هذا الاختراق وجهات نظر جديدة لعلوم المواد وتصميم الأدوية وغيرها من المجالات.
ما يحدث بالفيمتو ثانية في الطبيعة يمكن ملاحظته الآن بالمللي ثانية في المختبر.
العلماء من جامعة سيدني لقد حققوا إنجازًا ثوريًا من خلال المراقبة المباشرة لعملية تفاعل كيميائي حرجة باستخدام كمبيوتر كمي لإبطائها بعامل 100 مليار مرة.
وقالت فانيسا أولايا أغوديلو، الباحثة الرئيسية وطالبة الدكتوراه: “من خلال فهم هذه العمليات الأساسية داخل الجزيئات وفيما بينها، يمكننا فتح عالم جديد من الإمكانيات في علوم المواد أو تصميم الأدوية أو حصاد الطاقة الشمسية.
“يمكن أن يساعد أيضًا في تحسين العمليات الأخرى التي تعتمد على تفاعل الجزيئات مع الضوء، مثل خلق الضباب الدخاني أو تدهور طبقة الأوزون.”
الائتمان: سيباستيان زينتيلومو
ظاهرة التقاطع المخروطي
وعلى وجه التحديد، شهد فريق البحث نمط التداخل الفردي ذرة ناتج عن بنية هندسية شائعة في الكيمياء تسمى “التقاطع المخروطي”.
التقاطعات المخروطية معروفة في جميع أنحاء الكيمياء وهي ضرورية للعمليات الكيميائية الضوئية السريعة مثل تجميع الضوء في رؤية الإنسان أو البناء الضوئي.
لقد حاول الكيميائيون مراقبة مثل هذه العمليات الهندسية بشكل مباشر في الديناميكيات الكيميائية منذ الخمسينيات من القرن العشرين، ولكن من غير الممكن مراقبتها بشكل مباشر نظرًا للمقاييس الزمنية السريعة للغاية المعنية.
المؤلفان الرئيسيان فانيسا أولايا أغوديلو والدكتور كريستوف فالاهو أمام الكمبيوتر الكمومي Nanoscience Hub في سيدني المستخدم في التجربة. الائتمان: ستيفاني زينغشيم / جامعة سيدني
وللتحايل على هذه المشكلة، قام باحثون كميون من كلية الفيزياء وكلية الكيمياء بإنشاء تجربة باستخدام حاسوب كمي أيوني محصور بطريقة جديدة تمامًا. وقد سمح لهم ذلك بتصميم ورسم هذه المشكلة المعقدة للغاية على جهاز كمي صغير نسبيًا ثم إبطاء العملية بعامل قدره 100 مليار.
ونشرت نتائج أبحاثهم في 28 أغسطس في المجلة الكيمياء الطبيعية.
وقالت السيدة أولايا أغوديلو من كلية الكيمياء: “في الطبيعة، تتم العملية برمتها في الفيمتو ثانية”. “هذا جزء من مليار من مليون – أو كوادريليون – من الثانية.”
“باستخدام حاسوبنا الكمي، قمنا ببناء نظام يسمح لنا بإبطاء الديناميكيات الكيميائية من الفيمتو ثانية إلى المللي ثانية. هذا سمح لنا بإجراء ملاحظات وقياسات ذات معنى.
“لم يتم القيام بذلك من قبل.”
حزمة موجية تتحرك حول تقاطع مخروطي الشكل، تم قياسها تجريبيًا باستخدام كمبيوتر كمي أيوني محصور في جامعة سيدني.
لمراقبة سلوك حزمة موجية حول تقاطع مخروطي محاكى، استخدم الباحثون أيونًا محصورًا واحدًا – ذرة واحدة من الإيتربيوم المشحونة محصورة في الفراغ بواسطة المجالات الكهربائية.
ثم تم التحكم فيه وقياسه من خلال تطبيق تسلسل معقد ودقيق من نبضات الليزر.
تم بعد ذلك دمج النموذج الرياضي الذي يصف التقاطعات المخروطية في نظام الأيونات المحاصرة.
أصبح الأيون بعد ذلك قادرًا على التطور حول التقاطع المخروطي الاصطناعي.
ثم قام الباحثون ببناء فيلم لتطور الأيون حول التقاطع المخروطي (انظر GIF). تعرض كل صورة في ملف GIF صورة تصف احتمالية العثور على الأيون عند مجموعة محددة من الإحداثيات.
الائتمان: جامعة سيدني
دور تكنولوجيا الكم
وقال الدكتور كريستوف فالاهو، المؤلف الرئيسي المشارك من كلية الفيزياء: “حتى الآن، لم نتمكن من مراقبة ديناميكيات “المرحلة الهندسية” بشكل مباشر؛ يحدث ذلك بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن استكشافه تجريبياً.
“بفضل التقنيات الكمومية، تمكنا من حل هذه المشكلة.”
وقال الدكتور فالاهو إن الأمر يشبه محاكاة أنماط الهواء حول جناح الطائرة في نفق الرياح.
وقال: “لم تكن تجربتنا تقريبيا عدديا للعملية. لقد كانت ملاحظة تناظرية مباشرة لديناميكيات الكم التي تحدث بسرعة يمكننا ملاحظتها”.
في التفاعلات الكيميائية الضوئية، مثل عملية التمثيل الضوئي، التي تحصل النباتات من خلالها على طاقتها من الشمس، تنقل الجزيئات الطاقة بسرعة البرق، وتشكل مناطق تبادل تسمى التقاطعات المخروطية.
أدت هذه الدراسة إلى إبطاء ديناميكيات الكمبيوتر الكمي وكشفت عن الميزات المتوقعة – ولكن لم يسبق لها مثيل – المرتبطة بالتقاطعات المخروطية في الكيمياء الضوئية.
التعاون والآثار المستقبلية
المؤلف المشارك ورئيس فريق البحث، الأستاذ المشارك إيفان كاسال من كلية الكيمياء و معهد جامعة سيدني للنانوقال: “ستساعدنا هذه النتيجة المثيرة على فهم ديناميكيات السرعة الفائقة بشكل أفضل – كيف تتغير الجزيئات في أسرع المقاييس الزمنية.
“إنه لأمر رائع أن نتمكن في جامعة سيدني من الوصول إلى أفضل كمبيوتر كمي قابل للبرمجة في البلاد لإجراء هذه التجارب.”
الكمبيوتر الكمي المستخدم لإجراء التجربة موجود في مختبر التحكم الكمي للبروفيسور مايكل بيركوك، مؤسس الشركة الكمومية الناشئة، س-CTRL. قاد الجهود التجريبية الدكتور تينغ ري تان.
وقال الدكتور تان، المؤلف المشارك للدراسة: “هذا تعاون رائع بين علماء النظريات الكيميائية وعلماء فيزياء الكم التجريبية. نحن نستخدم نهجًا جديدًا في الفيزياء لحل مشكلة طال أمدها في الكيمياء.
المرجع: “الملاحظة المباشرة لتداخل الطور الهندسي في الديناميكيات حول التقاطع المخروطي” بواسطة CH Valahu، VC Olaya-Agudelo، RJ MacDonell، T. Navickas، AD Rao، MJ Millican، JB Pérez-Sánchez، J. Yuen-Zhou، MJ بيركوك، سي. همبل، تي آر تان وإي. كاسال، 28 أغسطس 2023، الكيمياء الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41557-023-01300-3
تم دعم البحث بمنح من مكتب الولايات المتحدة للأبحاث البحرية. ومختبر مكتب أبحاث الجيش الأمريكي للعلوم الفيزيائية؛ نشاط مشروع بحثي متقدم للاستخبارات الأمريكية؛ لوكهيد مارتن؛ المجموعة الأسترالية لعلوم وتكنولوجيا الدفاع، سيدني كوانتوم؛ جائزة تعاونية بالشراكة بين جامعة سيدني وجامعة كاليفورنيا، سان دييغو؛ هـ و أ. هارلي؛ ومن خلال موارد الحوسبة للبنية التحتية الوطنية للحوسبة التابعة للحكومة الأسترالية.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”