Computador quântico revela dinâmica atômica de moléculas sensíveis à luz

O método de observação utiliza um simulador quântico, desenvolvido a partir de pesquisas em computação quântica, e aborda uma questão fundamental e de longa data na química, crítica para processos como fotossíntese, visão e fotocatálise. É também um exemplo de como os avanços na computação quântica estão sendo usados ​​para investigar a ciência fundamental.

Os resultados aparecem online em 28 de agosto na revista Química da Natureza.

“Assim que os químicos quânticos se depararam com esses fenômenos de interseção cônica, a teoria matemática disse que havia certos arranjos moleculares que não podiam ser alcançados de um para o outro”, disse Kenneth Brown, ilustre professor de engenharia Michael J. Fitzpatrick na Duke. . “Essa restrição, chamada fase geométrica, não é impossível de medir, mas ninguém foi capaz de fazê-lo. Usar um simulador quântico nos deu uma maneira de vê-la em sua existência quântica natural.”

As interseções cônicas podem ser visualizadas como o pico de uma montanha tocando a ponta de seu reflexo vindo de cima e governando o movimento dos elétrons entre os estados de energia. A metade inferior da interseção cônica representa os estados de energia e as localizações físicas de uma molécula não excitada em seu estado fundamental. A metade superior representa a mesma molécula, mas com seus elétrons excitados, tendo absorvido energia de uma partícula de luz que chega.

A molécula não pode permanecer no estado superior – seus elétrons estão fora de posição em relação aos átomos hospedeiros. Para retornar ao estado de energia mais favorável, os átomos da molécula começam a se reorganizar para encontrar os elétrons. O ponto onde as duas montanhas se encontram – a intersecção cónica – representa um ponto de inflexão. Os átomos podem não conseguir chegar ao outro lado, reajustando-se ao seu estado original, despejando o excesso de energia nas moléculas ao seu redor no processo, ou podem fazer a mudança com sucesso.

No entanto, como os átomos e os elétrons se movem muito rapidamente, eles exibem efeitos quânticos. Em vez de ter uma forma qualquer – em qualquer lugar da montanha – em um determinado momento, a molécula tem, na verdade, muitas formas ao mesmo tempo. Poderíamos pensar em todas essas localizações possíveis como sendo representadas por um cobertor enrolado em uma parte da paisagem montanhosa.

Mas devido a uma peculiaridade matemática no sistema que emerge da matemática subjacente, chamada fase geométrica, certas transformações moleculares não podem acontecer. O cobertor não pode envolver totalmente a montanha.

“Se uma molécula tem dois caminhos diferentes para chegar à mesma forma final, e esses caminhos rodeiam uma intersecção cónica, então a molécula não seria capaz de assumir essa forma”, disse Jacob Whitlow, um estudante de doutoramento que trabalha no laboratório de Brown. “É um efeito difícil de obter intuição, porque a fase geométrica é estranha mesmo do ponto de vista da mecânica quântica.”

Medir esse efeito quântico sempre foi um desafio porque é de curta duração, na ordem dos femtossegundos, e pequeno, na escala dos átomos. E qualquer interrupção no sistema impedirá a sua medição. Embora muitas peças menores do fenômeno da intersecção cônica maior tenham sido estudadas e medidas, a fase geométrica sempre escapou aos pesquisadores.

“Se existem interseções cônicas – o que acontece – então a fase geométrica tem que existir”, disse Brown, que também tem cargos na física e na química da Duke. “Mas o que significa dizer que existe algo que você não pode medir?”

No artigo, Whitlow e colegas de trabalho usaram um computador quântico de cinco íons construído pelo grupo de Jungsang Kim, o distinto professor de engenharia elétrica e de computação da família Schiciano na Duke. O computador quântico usa lasers para manipular átomos carregados no vácuo, proporcionando um alto nível de controle. Whitlow e Zhubing Jia, um estudante de doutorado no laboratório de Brown, também expandiram a capacidade do sistema desenvolvendo maneiras de empurrar fisicamente os íons flutuantes dentro de suas armadilhas eletromagnéticas.

Com base em como os íons são movidos e no estado quântico em que estão colocados, eles podem exibir fundamentalmente exatamente os mesmos mecanismos quânticos que o movimento dos átomos em torno de uma interseção cônica. E como a dinâmica quântica dos iões aprisionados é cerca de mil milhões de vezes mais lenta do que a de uma molécula, os investigadores conseguiram fazer medições diretas da fase geométrica em ação.

Os resultados se parecem com uma lua crescente bidimensional. Conforme representado no gráfico de interseção cônica, certas configurações de um lado do cone não conseguem alcançar o outro lado do cone, mesmo que não haja barreira de energia. O experimento, diz Brown, é um exemplo elegante de como até mesmo os computadores quânticos rudimentares de hoje podem modelar e revelar o funcionamento quântico interno de sistemas quânticos complexos.

“A beleza dos íons aprisionados é que eles eliminam o ambiente complicado e tornam o sistema limpo o suficiente para fazer essas medições”, disse Brown.

Um experimento independente na Universidade de Sydney, na Austrália, também observou os efeitos da fase geométrica usando um simulador quântico de armadilha de íons. A abordagem difere em muitos detalhes técnicos, mas as observações gerais são consistentes. O trabalho de Sydney será publicado na mesma edição da Nature Chemistry.

Este trabalho foi apoiado pela Atividade de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência (W911NF-16-1-0082), pela National Science Foundation (Phy-1818914, OMA-2120757), pelo programa QSCOUT do Departamento de Energia do Escritório de Pesquisa em Computação Científica Avançada (DE-0019449 ) e o Escritório de Pesquisa do Exército (W911NF-18-1-0218).