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Aug 22, 2023

量子コンピューターが光の原子力学を明らかにする

2023 年 8 月 28 日 | ケン・キンガリー著 量子コンピューターにより、シミュレートされた分子量子効果が10億倍遅くなり、研究者が分子量子効果を初めて直接測定できるようになった ノースカロライナ州ダーラム –

2023 年 8 月 28 日 | ケン・キンガリー著

量子コンピューターにより、シミュレートされた分子量子効果が 10 億倍遅くなり、研究者が分子量子効果を初めて直接測定できるようになりました

ノースカロライナ州ダーラム – デューク大学の研究者は、光吸収分子が入射光子と相互作用する方法における量子効果を観察するために、量子ベースの方法を実装しました。 円錐交差として知られるこの効果は、分子が異なる構成の間で変化するときにたどることのできる経路に制限を加えます。

この観測方法は、量子コンピューティングの研究から開発された量子シミュレーターを利用しており、光合成、視覚、光触媒などのプロセスにとって重要な化学における長年の基本的な問題に取り組みます。 これは、量子コンピューティングの進歩が基礎科学の研究にどのように利用されているかを示す一例でもあります。

結果は、Nature Chemistry誌に8月28日オンライン掲載される。

「量子化学者がこれらの円錐交差現象に遭遇するとすぐに、数学理論では、一方から他方へ到達できない特定の分子配列が存在するということになりました」とデューク大学工学部マイケル・J・フィッツパトリック特別教授のケネス・ブラウン氏は述べた。 。 「幾何学的位相と呼ばれるその制約は、測定することが不可能ではありませんが、誰も測定することができませんでした。 量子シミュレーターを使用することで、量子の自然な存在を確認する方法が得られました。」

円錐形の交差点は、上から来る反射の先端に触れる山の頂上として視覚化でき、エネルギー状態間の電子の運動を支配します。 円錐形の交差の下半分は、基底状態にある励起されていない分子のエネルギー状態と物理的位置を表します。 上半分は同じ分子を表しますが、その電子は入射光粒子からのエネルギーを吸収して励起されています。

分子はトップ状態に留まることはできません。その電子はホスト原子に対して位置がずれています。 より好ましい低エネルギー状態に戻るために、分子の原子は電子と出会うために再配置を開始します。 2 つの山が交わる点 (円錐形の交差点) は変曲点を表します。 原子は元の状態に再調整することで反対側に到達できず、その過程で周囲の分子に過剰なエネルギーを放出するか、または切り替えに成功するかのどちらかです。

ただし、原子と電子は非常に速く移動するため、量子効果を示します。 分子は、山のどの場所でも、いつでも 1 つの形状をしているのではなく、実際には一度に多くの形状をしています。 これらすべての考えられる場所は、山岳地帯の一部を覆う毛布で表されていると考えることができます。

しかし、幾何学的位相と呼ばれる、基礎となる数学から現れるシステムの数学的な癖のため、特定の分子変換は起こりません。 毛布では山全体を包み込むことはできません。

「分子が同じ最終形状に到達するためにたどる2つの異なる経路を持っていて、それらの経路がたまたま円錐形の交差点を囲んでいる場合、分子はその形状を取ることができないでしょう」と、現在研究している博士課程の学生であるジェイコブ・ウィットロー氏は述べた。ブラウンの研究室にて。 「幾何学的な位相は量子力学の観点から見ても奇妙であるため、直感を得るのが難しい効果です。」

この量子効果はフェムト秒オーダーで短命であり、原子スケールで小さいため、この量子効果を測定することは常に困難でした。 また、システムが中断されると測定ができなくなります。 より大きな円錐交差現象の多くの小さな部分が研究および測定されてきましたが、幾何学的位相は常に研究者を逃れてきました。

「円錐形の交差が存在するなら、実際にそうなっているのですが、幾何学的な位相が存在するはずです」と、デューク大学の物理学と化学の職も兼任しているブラウン氏は述べた。 「しかし、測定できないものが存在するとはどういう意味でしょうか?」