과학자들은 시뮬레이션된 화학 반응을 늦추기 위해 양자 장치를 사용합니다.

시드니 대학교의 과학자들있다, 처음으로, 양자 컴퓨터를 사용하여 화학 반응에서 중요한 프로세스를 1,000억 배 속도로 늦추어 엔지니어링하고 직접 관찰했습니다.

공동 수석 연구원이자 박사 과정 학생인 Vanessa Olaya Agudelo는 다음과 같이 말했습니다. “재료 과학, 약물 설계 또는 태양 에너지 수확 분야에서 새로운 가능성의 세계를 열 수 있는 것은 분자 내부와 분자 간의 기본 과정을 이해하는 것입니다. 또한 스모그가 생성되는 방식이나 오존층이 손상되는 방식과 같이 빛과 상호 작용하는 분자에 의존하는 다른 프로세스를 개선하는 데 도움이 될 수도 있습니다.”

구체적으로 연구팀은 '원추형 교차점'이라고 불리는 화학에서 흔히 사용되는 기하학적 구조에 의해 발생하는 단일 원자의 간섭 패턴을 목격했습니다.

원뿔형 교차점은 화학 전반에 걸쳐 알려져 있으며 인간의 시력이나 광합성에서 빛을 수확하는 것과 같은 빠른 광화학 과정에 필수적입니다.

화학자들은 1950년대부터 화학역학에서 이러한 기하학적 과정을 직접 관찰하려고 노력해 왔지만, 관련된 매우 빠른 시간 규모를 고려할 때 이를 직접 관찰하는 것은 불가능합니다.

이 문제를 해결하기 위해 물리학부와 화학부 양자 연구자들은 이온 트랩 양자컴퓨터를 이용한 완전히 새로운 방식의 실험을 고안했다. 이를 통해 그들은 이 매우 복잡한 문제를 상대적으로 작은 양자 장치에 설계하고 매핑한 다음 프로세스 속도를 1000억 배나 늦출 수 있었습니다.

그들의 연구 결과는 Nature Chemistry에 게재되었습니다.

“자연에서는 모든 과정이 펨토초 내에 완료됩니다.”라고 화학과의 Olaya Agudelo가 말했습니다. “그것은 10억분의 1000, 즉 1000조분의 1초입니다. 우리는 양자 컴퓨터를 사용하여 화학적 역학을 펨토초에서 밀리초로 늦출 수 있는 시스템을 구축했습니다. 이를 통해 우리는 의미 있는 관찰과 측정을 할 수 있었습니다. 이런 일은 이전에 한 번도 해본 적이 없습니다.”

공동 주저자인 물리학과의 Christophe Valahu 박사는 다음과 같이 말했습니다. “지금까지 우리는 '기하학적 위상'의 역학을 직접적으로 관찰할 수 없었습니다. 실험적으로 조사하기에는 너무 빨리 발생합니다. 우리는 양자 기술을 사용하여 이 문제를 해결했습니다.”

Valahu는 이것이 풍동에서 비행기 날개 주위의 공기 패턴을 시뮬레이션하는 것과 유사하다고 말했습니다.

"우리의 실험은 프로세스의 디지털 근사치가 아니었습니다. 이것은 우리가 관찰할 수 있는 속도로 전개되는 양자 역학에 대한 직접적인 아날로그 관찰이었습니다."라고 그는 말했습니다.

식물이 태양으로부터 에너지를 얻는 광합성과 같은 광화학 반응에서 분자는 빛의 속도로 에너지를 전달하여 원뿔형 교차점으로 알려진 교환 영역을 형성합니다.

이 연구는 양자 컴퓨터의 역학 속도를 늦추고 광화학의 원뿔형 교차점과 관련하여 예측되었지만 이전에는 볼 수 없었던 숨길 수 없는 특징을 밝혀냈습니다.

공동저자이자 연구팀장인 시드니대학교 나노연구소 부교수 Ivan Kassal은 다음과 같이 말했습니다. “이 흥미로운 결과는 우리가 초고속 역학, 즉 가장 빠른 시간 단위에서 분자가 어떻게 변하는지를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 시드니 대학교에서 이러한 실험을 수행하기 위해 미국 최고의 프로그래밍 가능한 양자 컴퓨터에 접근할 수 있다는 것은 엄청난 일입니다.”

실험에 사용된 양자컴퓨터는 양자 스타트업 Q-CTRL의 창업자인 마이클 비어쿡(Michael Biercuk) 교수의 양자제어 연구실에 있다. 실험적 노력은 Ting Rei Tan 박사가 주도했습니다.

이번 연구의 공동 저자인 Tan은 이렇게 말했습니다. “이것은 화학 이론가와 실험 양자 물리학자 간의 환상적인 협력입니다. 우리는 화학의 오랜 문제를 해결하기 위해 물리학의 새로운 접근 방식을 사용하고 있습니다.”

- 본 보도자료는 원래 시드니대학교 웹사이트에 게재된 것입니다.