Квантовый компьютер помог ученым подтвердить существование уникальной молекулы

Новости МирТесен

Ученые из IBM, Манчестерского университета, Оксфордского университета, Высшей технической школы Цюриха, Федеральной политехнической школы Лозанны и Университета Регенсбурга сообщили о значительном прогрессе в химии и физике: им удалось создать и исследовать молекулу, не имеющую предшественников. Отличительной чертой этой молекулы является то, что электроны перемещаются внутри её структуры по спиральной траектории, подобной штопору, что принципиально изменяет её химические свойства.

Впервые в ходе экспериментальной работы была зафиксирована топология, соответствующая половине ленты Мёбиуса, в электронной структуре изолированной молекулы. Исследователи отмечают, что молекула с подобной топологией ранее не только не была создана или обнаружена, но и не получила теоретического предсказания.

Для выяснения поведения этой молекулы на уровне электронных структур потребовался инструмент не меньшей важности – высокоточная симуляция на квантовом компьютере. Таким образом, это открытие отражает значительный прогресс в двух областях одновременно. В химии оно показывает, что электронная топология – характеристика, определяющая перемещение электронов внутри молекулы – может не только обнаруживаться в природных системах, но и быть намеренно спроектирована. Для квантовых вычислений это служит ярким примером того, как квантовое моделирование эффективно решает свою основную задачу: оно непосредственно воспроизводит квантово-механическое поведение на молекулярном уровне, позволяя получить научные сведения, которые иначе были бы недоступны.

«Изначально была разработана молекула, которую мы предполагали создать. Затем она была синтезирована, и её существование, а также необычные характеристики были подтверждены с использованием квантового компьютера », — сообщил Алессандро Куриони, сотрудник IBM, занимающий должность вице-президента по Европе и Африке и являющийся директором IBM Research Zurich. По его словам, это значительный прогресс в направлении осуществления идеи, впервые высказанной много лет назад знаменитым физиком Ричардом Фейнманом – разработки вычислительной машины, оптимально подходящей для моделирования квантовой физики. Достижение в рамках этого исследования указывает на приближение к воплощению этой концепции, предоставляя новые возможности для исследования нашего мира и материи.

Игорь Рончевич, соавтор публикации и преподаватель вычислительной и теоретической химии в Манчестерском университете, прокомментировал значимость этого открытия в более широком контексте: « Развитие химии и физики твердого тела обусловлено стремлением к разработке инновационных методов воздействия на материю. В середине XX века значительный интерес вызывали эффекты, связанные с замещением атомов. С наступлением нового тысячелетия появилась спинтроника, предложившая рассматривать спин электрона как дополнительную возможность для управления, что привело к существенным изменениям в способах хранения информации. В настоящее время наша работа демонстрирует, что топология также может выступать в роли переключаемой характеристики, открывая перспективное направление для регулирования свойств материалов ». Он также подчеркнул, что необычная структура этой молекулы, подобно странному поведению многих других систем, обусловлена взаимодействием между электронами. Использование классических компьютеров для моделирования электронов представляет собой крайне сложную задачу, и достичь значительного прогресса в этой области затруднительно. Квантовые же компьютеры, чьи базовые элементы (кубиты) сами по себе являются квантовыми объектами, идеально приспособлены для решения этой задачи. Благодаря использованию квантового компьютера IBM, исследователям удалось изучить взаимодействие 32 электронов, и это лишь начало, поскольку квантовое оборудование стремительно развивается.

Молекула с химической формулой C₁₃Cl₂ была собрана в IBM, атом за атомом, из специального прекурсора, созданного в Оксфордском университете. С использованием точно настроенных импульсов напряжения, в условиях сверхвысокого вакуума и при температуре, близкой к абсолютному нулю, отдельные атомы последовательно удалялись. Эксперименты, проведенные с применением сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, в сочетании с квантовыми вычислениями, позволили выявить электронную конфигурацию, не имеющую параллелей в химии: электронная структура, которая поворачивается на 90 градусов с каждым оборотом, требуя четырех полных циклов для возврата к первоначальному состоянию. Данная топология, напоминающая половинку ленты Мёбиуса, принципиально отличается от всего, что было известно ранее. Кроме того, ее можно обратимо переключать между состояниями с закруткой по часовой стрелке, против часовой стрелки и без закрутки, что подтверждает: электронная топология – это не просто обнаруживаемое свойство, а параметр, которым теперь возможно управлять.

Ученым предстояло также выяснить, определяющие принцип действия созданной молекулы факторы, и это оказалось непростой задачей для обычных компьютеров из-за сложных взаимосвязей между электронами. Квантовые компьютеры, работающие по тем же квантово-механическим законам, что и электроны в молекулах, позволяют напрямую моделировать эти системы, в отличие от приближенных методов. Данная возможность была применена в рамках квантово-ориентированного подхода к суперкомпьютерным вычислениям, где квантовые процессоры (QPU) взаимодействуют с классическими центральными и графическими процессорами. Используя квантовый компьютер IBM в подобном рабочем процессе, исследователи выявили спиральные молекулярные орбитали, соответствующие топологии половины ленты Мёбиуса, и определили механизм их возникновения — спиральный псевдо-эффект Яна-Теллера. Это достижение основано на обширном опыте IBM в области нанотехнологий, начиная с изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году.

Работа была в журнале Science.