Kvantecomputere vender scriptet om spinkemi

At bygge billigere og mere effektive bæredygtige energimuligheder, vi skal vide meget mere, end vi gør i øjeblikket, om de kemiske reaktioner, der omdanner solenergi til elektricitet. En af de bedste måder at gøre det på er gennem computermodeller, der simulerer komplekse molekylære interaktioner. Selvom klassiske computere har tjent dette formål godt i løbet af de sidste par årtier, vi forklarer i et nyt forskningsstudie de særlige kvaliteter ved kvanteberegning, der vil hjælpe forskere med at fremme teknologier til solenergikonvertering, kunstig fotosyntese og fotovoltaik til et helt nyt niveau.

Vores undersøgelse, "Simulering af Quantum Beats i radikale par på en støjende kvantecomputer, " detaljer, hvordan IBM Research og University of Notre Dame forskere - med hjælp fra studerende ved Georgetown University, DePaul University, Illinois Institute of Technology og Occidental College i Los Angeles-brugte en skybaseret IBM Quantum-computer til at simulere, hvordan et kemisk reaktionsresultat styres af tidsudviklingen af ​​de to reaktanters sammenfiltrede tilstand, og hvordan dette spinkemi-fænomen påvirkes af det gradvise tab af magnetisering og defasering forårsaget af termiske udsving.

Spinkemi er et underfelt af kemi, der beskæftiger sig med magnetiske spin-effekter i kemiske reaktioner. Det forbinder kvantefænomener som superposition og sammenfiltring med håndgribelige kemiske parametre som reaktionsudbytte (mængden af ​​hvad end en kemisk reaktion producerer). Med en kvantecomputer, spin -kemi giver os mulighed for direkte at simulere nogle dynamiske kemiske processer, dybest set kinetikken af ​​kemiske reaktioner. Spineffekter i radikale par spiller en vigtig rolle i processer, der ligger til grund for konvertering af solenergi.

Notre Dame-forskere havde i årevis brugt klassiske computere til at studere spinkemi. Simuleringer oprettet ved hjælp af disse computere, imidlertid, krævede indførelse af kunstig støj for at forsøge realistisk at efterligne kemiske reaktioner. I 2018, forskerne greb chancen for at skabe mere detaljerede spin-kemi-simuleringer ved hjælp af IBM's offentligt tilgængelige 5-qubit kvantecomputere. Og i april 2019, Notre Dame havde tilsluttet sig IBM Q Network, som tilbød dem adgang til IBM Quantum computing-systemer og ekspertise, de søgte for at udføre deres spin-kemi-eksperimenter.

Arbejde sammen, vores team af forskere brugte en kvantecomputer til at simulere, hvordan spin-effekter styrer reaktionsudbyttet. I dette tilfælde, to mulige reaktionsprodukter var molekyler i to forskellige typer ophidsede tilstande - enten singlet (med spin 0) eller triplet (med spin 1), hvor hver enkelt indeholder forskellige mængder energi. I det system vi studerede, eksperimentelle data udgivet af V.A. Bagryanskys gruppe - af V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion - udtrykkes i fluorescens eller phosphorescens, hvilket hjælper os med bedre at forstå, hvordan en reaktion fungerer på et molekylært niveau. I dette system, molekylernes signaltab blev målt ved hjælp af fluorescens.

Molekylernes tab af magnetisering på grund af elektron -spin -afslapning var analogt med, at magnetbånd mistede sin evne til at lagre information på grund af overdreven varme. Magnetiske medier - stort set erstattet af flash, men stadig brugt til arkivopbevaring - er lavet af øer af magnetisk materiale. I lang tid, producenter af magnetiske medier kæmpede med, at deres udstyr kørte ved stuetemperatur eller varmere, fordi varme svækkede de magnetiske signaler over tid. Hurtig elektronspin-afslapning kan ligeledes mindske effektiviteten af ​​spintransport i solenergikonverteringsapplikationer.

Vores eksperiment succes var en tovejs gade, sætter os i stand til at studere kvantecomputerens adfærd såvel som spinkemi. I modsætning til de fleste eksperimenter på kvantecomputere, som ser ud til at udnytte teknologiens utrolige potentiale ved at drage fordel af qubits korte levetid – målbare i mikrosekunder – vi forsøgte at bremse de beregninger, der blev sendt til vores to-qubit-kredsløb. Det gjorde det muligt for os at se i detaljer på, hvad gates og qubits lavede over mange sekunder og endda minutter.

Normalt inden for kvanteberegning, nogen sender et program, det kører, der foretages målinger, og programmet stopper. I stedet, vi brugte OpenPulse, et programmeringssprog inden for Qiskit open source kvantecomputerramme, at specificere puls-niveau-kontrol på kvanteenheden. Vi bremsede beregningerne, så vi kunne se kvantecomputerens støjprocesser. Støj er en naturlig egenskab ved qubits, men begrænser antallet af beregninger, de kan udføre, og introducerer fejl i de endelige resultater. Mens vi fortsætter vores arbejde på dette område, vi vil være i stand til at bidrage til kendskabet til dem, der studerer, hvordan man kan dæmpe sådan støj og skabe mere robuste og mindre fejlbehæftede kvantecomputere i fremtiden.

Vores forskning fungerer som en ny use case for kvanteberegning. Vi viste, at qubit-støj, typisk en hindring for kvantecomputerbrug, kan faktisk være en fordel i forhold til en klassisk computer til kemiske simuleringer.

Ser frem til, vi håber, at OpenPulse bliver mere et værktøj til at konstruere støj og ændre kvantesignaler. Jo større kontrol OpenPulse kan tilbyde, jo bedre fremtidige eksperimenter kan simulere - og bruge - støj til bedre at forstå komplekse kemiske fænomener såsom kunstig fotosyntese og solenergiomdannelse.