Квантов компютър от един атом показа какво се случва в молекулата, когато върху нея попадне светлина

Колкото е по-малка системата, толкова по-бързо симулира Вселената.

Под въздействието на светлината в молекулните структури се разгръща бърз вихър от квантовомеханични трансформации: електроните прескачат от едно енергийно ниво на друго, атомите вибрират и химичните връзки се пренареждат. Целият този микроскопичен танц трае само милионни части от милиардна част от милиардна част от секундата.

Подобни светлинни взаимодействия управляват много процеси в природата и технологиите: фотосинтезата подхранва растенията, ултравиолетовите лъчи могат да увредят ДНК, слънчевите клетки произвеждат електричество, а лекарите използват фототерапия в онкологията. Традиционните компютърни системи обаче не могат да се справят с точното възпроизвеждане на тези явления – за да се симулира поведението на частиците на квантово ниво, е необходима немислима производителност.

Един коренно различен подход предлагат компютрите, работещи по законите на квантовата механика. Доскоро те можеха да изчисляват само статичните характеристики на химичните съединения, като например техните енергийни състояния. Сега, според проучване в Journal of the American Chemical Society, група специалисти е разработила по-усъвършенствана техника за наблюдение на динамичните промени в реалните вещества.

Учените са създали изчислителна система, базирана на електромагнитно уловени атоми, плаващи във вакуумна камера. Прецизната настройка на тази инсталация изисква постоянно регулиране на множество параметри – от интензитета на полето на задържане до позицията на лазерните лъчи. Вместо традиционните квантови битове са използвани вибрационни състояния на материята – „бозонни режими“. Този новаторски метод, наречен смесено кубитово-бозонно моделиране, е позволил радикално намаляване размера на необходимото оборудване.

При експериментите е изследвано поведението на три химични съединения: ален, бутатриен и пиразин. Тези вещества демонстрират уникални електронни и вибрационни ефекти при поглъщане на светлинната енергия, което ги прави отлични тестови обекти. Като насочват лазерен импулс към един атом, изследователите забавят естествените реакции 100 милиарда пъти. По този начин събития, които в природата отнемат фемтосекунди, могат да бъдат разтеглени до милисекунди и внимателно анализирани.

Новият метод е изумително ефективен. Моделирането на стандартен квантов хардуер би изисквало 11 кубита, способни да изпълняват безпогрешно около 300 000 операции на квантово заплитане – специални взаимодействия между частиците, критични за изчисленията. Задачата все още е непостижима за сегашните технологии поради натрупване на грешки и загуба на кохерентност на квантовите състояния. Новият подход се справя с моделирането с помощта на един-единствен лазерен импулс. Според изчисленията на авторите ефективността на предложеното решение е милион пъти по-висока от съществуващите техники.

Учените са успели да изследват и отворени системи, в които веществата непрекъснато обменят енергия с околната среда. Наложило се е да прибегнат до трик: да създадат контролирани смущения в пространството около уловения атом. Изкуствените смущения прецизно възпроизвеждат условията, при които реалните молекули губят енергия: когато се сблъскват с други частици или излъчват фотони. Поредица от внимателни експерименти доказа, че квантовите симулации успешно отчитат всички сложни фактори на средата.

Всеки елемент от експериментите е внимателно обмислен – проверени са всички параметри на инсталацията: от начина, по който са разположени оптичните елементи, до начина, по който са настроени контролните сигнали.

Откритието разширява възможностите на химическата наука. Когато екипът увеличи броя на уловените атоми, той ще достигне 20-30. Това ще помогне за по-бързото създаване на нови лекарства и екологично чисти източници на енергия, както и за по-дълбокото разбиране на начина на протичане на някои процеси в живите организми.