悉尼大学(University of Sydney)的科学家们首次利用量子计算机设计并直接观测了化学反应中的一个关键过程，将其速度减慢了1000亿倍。

“Direct observation of geometric-phase interference in dynamics around a conical intersection”

主要作者Vanessa Olaya Agudelo和Christophe Valahu博士在悉尼纳米科学中心用于实验的量子计算机前。

联合首席研究员、博士生Vanessa Olaya Agudelo说："通过了解分子内部和分子之间的这些基本过程，我们可以为材料科学、药物设计或太阳能收集开辟一片新天地。

“它还有助于改善其他依赖分子与光相互作用的过程，比如烟雾是如何产生的，臭氧层是如何遭到破坏的。”

具体来说，研究小组目睹了化学中一种常见的几何结构——“圆锥交叉(conical intersection)”，引起的单个原子的干涉模式。

圆锥交叉在整个化学中都是众所周知的，对于快速的光化学过程（如人类视觉中的光采集或光合作用）至关重要。

自 20 世纪 50 年代以来，化学家们一直试图直接观察化学动力学中的此类几何过程，但由于涉及的时间尺度极快，直接观察它们并不可行。

为了解决这个问题，物理学院和化学学院的量子研究人员以一种全新的方式利用困离子量子计算机创建了一个实验。这使他们能够设计并将这一非常复杂的问题映射到一个相对较小的量子设备上，然后将这一过程减慢1000亿倍。他们的研究成果于 8 月 28 日发表在《自然·化学》杂志上。

工程圆锥形交叉点周围的波包动力学

化学学院的Olaya Agudelo说：“在自然界中，整个过程在飞秒内结束。那是百万分之一秒的十亿分之一，也就是四十亿分之一秒。”

“利用我们的量子计算机，我们建立了一个系统，可以将化学动力学从飞秒级减慢到毫秒级。这使我们能够进行有意义的观察和测量。这是以前从未做到过的。”

共同第一作者、物理学院的Christophe Valahu博士表示：“到目前为止，我们还无法直接观察到‘几何相位’的动态；它发生得太快，无法用实验进行探测。”

“我们利用量子技术解决了这个问题。”Valahu解释说，这就好比在风洞中模拟飞机机翼周围的空气形态。“我们的实验不是对这一过程的数字近似，而是直接模拟观察量子动力学以我们可以观察到的速度展开。”

在植物从太阳获取能量的光合作用等光化学反应中，分子以闪电般的速度传递能量，形成被称为锥形交叉点的交换区域。

这项研究放慢了量子计算机中的动力学速度，揭示了与光化学反应中的锥形交叉有关的预示性特征，而且，这些特征以前从未见过。

——这项令人兴奋的成果将帮助我们更好地理解超快动力学：分子如何在最快的时间尺度上发生变化。

Tan博士是这项研究的合著者之一，他认为这是化学理论家和实验量子物理学家之间的一次精彩合作。“我们正在利用物理学中的一种新方法来解决化学中一个长期存在的问题。”

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-08-scientists-quantum-device-simulated-chemical.html

[2]https://www.theage.com.au/national/nsw/sydney-scientists-quantum-breakthrough-slows-time-chemically-at-least-20230828-p5dzyb.html

[3]https://www.zmescience.com/science/news-science/quantum-computer-slows-down-virtual-chemistry-reaction-100-billion-times/