Под действием света в молекулярных структурах разворачивается стремительный вихрь квантово-механических трансформаций: электроны совершают скачки между энергетическими уровнями, атомы колеблются, а химические связи перестраиваются. Весь этот микроскопический танец длится лишь миллионные доли миллиардной части секунды.
Такие световые взаимодействия управляют множеством процессов в природе и технике: фотосинтез питает растения, ультрафиолетовые лучи способны повреждать ДНК, солнечные элементы генерируют электроэнергию, а медики применяют фототерапию в онкологии. Однако традиционные вычислительные системы не справляются с точным воспроизведением этих явлений – для имитации поведения частиц на квантовом уровне требуется немыслимая производительность.
Принципиально иной подход предлагают компьютеры, работающие по законам квантовой механики. До недавнего времени они могли рассчитывать только статические характеристики химических соединений, например, их энергетические состояния. Теперь же, согласно исследованию в Journal of the American Chemical Society , группа специалистов разработала более совершенную методику наблюдения за динамическими изменениями в реальных веществах.
Учёные создали вычислительную систему на основе захваченных электромагнитным полем атомов, парящих в вакуумной камере. Тонкая настройка этой установки требует постоянной корректировки множества параметров – от интенсивности удерживающего поля до положения лазерных лучей. Вместо традиционных квантовых битов применили колебательные состояния материи – “бозонные моды”. Этот новаторский метод, названный смешанным кудит-бозонным моделированием, позволил радикально сократить размеры необходимого оборудования.
В ходе экспериментов было изучено поведение трёх химических соединений: аллена, бутатриена и пиразина. Эти вещества демонстрируют уникальные электронные и вибрационные эффекты при поглощении световой энергии, что делает их превосходными объектами для тестирования. Направив лазерный импульс на одиночный атом, исследователи замедлили естественные реакции в 100 миллиардов раз. Таким образом, события, занимающие в природе фемтосекунды, удалось растянуть до миллисекунд и тщательно проанализировать.
Новый метод поражает эффективностью. Моделирование на стандартном квантовом оборудовании потребовало бы 11 кубитов, способных безошибочно выполнить около 300 тысяч операций квантового запутывания – особых взаимодействий между частицами, критически важных для вычислений. Задача для современных технологий пока недостижима из-за накапливающихся ошибок и потери когерентности квантовых состояний. Новый подход справился с моделированием при помощи единственного лазерного импульса. По расчётам авторов, эффективность предложенного решения в миллион раз превышает существующие методики.
Учёные также смогли изучить открытые системы, где вещества непрерывно обмениваются энергией с окружающей средой. Пришлось пойти на хитрость: создать контролируемые помехи в пространстве вокруг пойманного атома. Искусственные возмущения точно повторяют условия, в которых реальные молекулы теряют энергию: когда сталкиваются с другими частицами или излучают фотоны. Серия тщательных экспериментов доказала: квантовые симуляции успешно учитывают все сложные факторы внешней среды.
Каждый элемент опытов продумали досконально – выверили все параметры установки: от того, как расположены оптические элементы, до того, как настроены управляющие сигналы.
Открытие расширяет возможности химической науки. Когда команда увеличит число пойманных атомов до 20-30. Это поможет быстрее создавать новые лекарства и экологичные источники энергии, а также глубже понять, как работают те или иные процессы в живых организмах.