A simulação quântica captura mudanças químicas acionadas pela luz nas moléculas reais pela primeira vez

Pesquisadores da Universidade de Sydney realizaram com sucesso uma simulação quântica de dinâmica química com moléculas reais pela primeira vez, marcando um marco significativo na aplicação da computação quântica à química e medicina.

O entendimento em tempo actual como os átomos interagem para formar novos compostos ou interagir com a luz há muito tempo é esperado como uma aplicação potencial da tecnologia quântica. Agora, o professor químico quântico Ivan Kassal e o companheiro de física Horizon, Dr. Tingrei Tan, mostrou que é possível usar uma máquina quântica na Universidade de Sydney.

O trabalho inovador aproveita um novo esquema de codificação com alta eficiência de recursos implementado em um computador quântico de íons presos no centro de nanociência da Universidade de Sydney, com implicações que podem ajudar a transformar a ciência da medicina, energia e materiais.

Suas descobertas são publicado no Jornal da American Chemical Society.

Até agora, os computadores quânticos eram limitados ao calcular propriedades estáticas das moléculas-como suas energias-deixando os processos dinâmicos e de evolução do tempo amplamente inacessíveis, dada sua complexidade. No entanto, esta pesquisa empurra a fronteira simulando como as moléculas se comportam quando excitadas pela luz – um processo que envolve mudanças eletrônicas e vibracionais extremely -rápidas que os computadores clássicos lutam para modelar com precisão ou eficiência.

O professor Kassal, do Instituto Nano da Universidade de Sydney e da Escola de Química, comparou isso com a montanha. “Uma coisa é entender seu ponto de partida, seu ponto remaining e quão alto você precisará escalar. Mas isso não ajuda você a entender o caminho que você seguirá”, disse ele.

“Nossa nova abordagem nos permite simular toda a dinâmica de uma interação entre luz e ligações químicas. É como entender a posição e a energia do caminhante de montanha a qualquer momento de sua jornada pelas montanhas “.

As aplicações futuras dessa abordagem estão na simulação de reações químicas e dinâmica química em qualquer situação em que a luz esteja envolvida. Isso inclui fotossíntese, dano ao DNA por UV, terapias fotodinâmicas e Pesquisa sobre câncerprojetando protetor photo voltaic ou para sistemas de energia photo voltaic aprimorados.

O Dr. Tan disse: “Em todos esses casos, a dinâmica ultra-rápida induzida é pouco conhecida. Ter ferramentas de simulação precisas acelerarão a descoberta de novos materiais, medicamentos ou outras moléculas fotoativas”.

Este estudo se baseia em um Estudo anterior em 2023, no qual a equipe de pesquisa simulou a dinâmica quântica genérica abstrata, diminuindo o processo de um fator de 100 bilhões de vezes.

O Dr. Tan disse: “adotamos esse estudo e aplicamos sua abordagem à dinâmica de três moléculas diferentes depois de absorver a luz.

“É possível simular as interações para essas moléculas específicas usando supercomputadores clássicos. Mas mais moléculas complexas irá além de suas capacidades. A tecnologia quântica poderá simular essa complexidade que está além de toda capacidade clássica “.

Think about testemunhar uma molécula absorver um fóton, vibrar e passar por uma rápida transição eletrônica-todas codificadas em uma simulação quântica que se desenrola sobre um fator impressionante de dilatação de tempo de 100 bilhões (10¹¹). Isso significa que a simulação quântica é executada em uma escala de tempo acessível de milissegundos, enquanto reproduz fielmente os eventos químicos extremely -rápidos que ocorrem em femtossegundos (10^-15).

Simulando moléculas reais

Significativamente, diferentemente do trabalho anterior dessa equipe e de outros esforços de pesquisa que apenas modelavam sistemas dinâmicos abstratos, este estudo simula moléculas reais – demonstrando a capacidade do método de imitar processos químicos reais. Nesse caso, a simulação period de luz interagindo com o Allene (C₃H₄), Butatriene (c₄H₄N₂H₄).

O que torna essa conquista particularmente inovadora é a eficiência de sua abordagem. A equipe empregou um método de simulação quântica analógica usando apenas um único íon preso – uma fração dos recursos de {hardware} necessários para os computadores quânticos digitais tradicionais.

O professor Kassal disse: “Realizar a mesma simulação usando uma abordagem mais convencional na computação quântica exigiria 11 qubits perfeitos e 300.000 portões impecáveis ​​em enredar. Nossa abordagem é cerca de um milhão de vezes mais eficiente em termos de recursos, permitindo que a dinâmica química complexa seja estudada com muito menos recursos do que se pensava anteriormente”.

Esse desenvolvimento tem uma grande promessa para entender uma ampla variedade de fenômenos químicos acionados pela luz. As aplicações variam de fotossíntese e danos ao DNA causados ​​pela radiação UV a terapias médicas avançadas, como terapia fotodinâmica para câncer ou distúrbios da pele e filtros solares. Por exemplo, uma melhor compreensão dos processos ultra-induzidos por fotos pode acelerar a descoberta de novos medicamentos, melhorar o design de células solares com eficiência energética e contribuir para o desenvolvimento de materiais fotoativos inovadores.

Esse avanço experimental demonstra que a simulação quântica de moléculas reais e complexas está ao alcance prático – uma conquista que pode acelerar drasticamente a descoberta científica em química e além.

Ao aproveitar o poder da mecânica quântica de uma maneira altamente eficiente em recursos, a equipe da Universidade de Sydney abriu um novo caminho promissor para entender os processos químicos ultra-rápidos que sustentam funções biológicas vitais, soluções de energia e inovação de materiais.