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Aug 22, 2023

Computadora cuántica revela la dinámica atómica de la luz

28 de agosto de 2023 | Por Ken Kingery Una computadora cuántica ralentizó los efectos cuánticos moleculares simulados mil millones de veces, lo que permitió a los investigadores medirlos directamente por primera vez DURHAM, Carolina del Norte –

28 de agosto de 2023 | Por Ken Kingery

Una computadora cuántica ralentizó los efectos cuánticos moleculares simulados mil millones de veces, lo que permitió a los investigadores medirlos directamente por primera vez

DURHAM, Carolina del Norte – Investigadores de la Universidad de Duke han implementado un método cuántico para observar un efecto cuántico en la forma en que las moléculas que absorben la luz interactúan con los fotones entrantes. Conocido como intersección cónica, el efecto impone limitaciones a los caminos que las moléculas pueden tomar para cambiar entre diferentes configuraciones.

El método de observación utiliza un simulador cuántico, desarrollado a partir de investigaciones en computación cuántica, y aborda una cuestión fundamental de larga data en la química, crítica para procesos como la fotosíntesis, la visión y la fotocatálisis. También es un ejemplo de cómo se están utilizando los avances en la computación cuántica para investigar la ciencia fundamental.

Los resultados aparecen en línea el 28 de agosto en la revista Nature Chemistry.

"Tan pronto como los químicos cuánticos se toparon con estos fenómenos de intersección cónica, la teoría matemática dijo que había ciertos arreglos moleculares que no se podían alcanzar de uno a otro", dijo Kenneth Brown, profesor distinguido de ingeniería Michael J. Fitzpatrick en Duke. . “Esa restricción, llamada fase geométrica, no es imposible de medir, pero nadie ha podido hacerlo. El uso de un simulador cuántico nos dio una manera de verlo en su existencia cuántica natural”.

Las intersecciones cónicas se pueden visualizar como el pico de una montaña que toca la punta de su reflejo proveniente de arriba y gobierna el movimiento de los electrones entre estados de energía. La mitad inferior de la intersección cónica representa los estados de energía y las ubicaciones físicas de una molécula no excitada en su estado fundamental. La mitad superior representa la misma molécula pero con sus electrones excitados, habiendo absorbido energía de una partícula de luz entrante.

La molécula no puede permanecer en el estado superior: sus electrones están fuera de posición con respecto a sus átomos anfitriones. Para volver al estado de menor energía más favorable, los átomos de la molécula comienzan a reorganizarse para encontrarse con los electrones. El punto donde se encuentran las dos montañas, la intersección cónica, representa un punto de inflexión. Los átomos pueden no llegar al otro lado reajustándose a su estado original, descargando el exceso de energía en las moléculas que los rodean en el proceso, o pueden hacer el cambio con éxito.

Sin embargo, debido a que los átomos y los electrones se mueven tan rápido, exhiben efectos cuánticos. En lugar de tener una forma determinada (en cualquier lugar de la montaña) en un momento dado, la molécula en realidad tiene muchas formas a la vez. Se podría pensar en todas estas ubicaciones posibles como si estuvieran representadas por una manta que envuelve una parte del paisaje montañoso.

Pero debido a una peculiaridad matemática en el sistema que surge de las matemáticas subyacentes, llamada fase geométrica, ciertas transformaciones moleculares no pueden ocurrir. La manta no puede envolver completamente la montaña.

"Si una molécula tiene dos caminos diferentes para llegar a la misma forma final, y esos caminos rodean una intersección cónica, entonces la molécula no podría tomar esa forma", dijo Jacob Whitlow, un estudiante de doctorado que trabaja en el laboratorio de Brown. "Es un efecto del que es difícil intuir, porque la fase geométrica es extraña incluso desde el punto de vista de la mecánica cuántica".

Medir este efecto cuántico siempre ha sido un desafío porque es de corta duración, del orden de femtosegundos, y pequeño, en la escala de los átomos. Y cualquier interrupción del sistema impedirá su medición. Si bien se han estudiado y medido muchas partes más pequeñas del fenómeno de intersección cónica más grande, la fase geométrica siempre ha eludido a los investigadores.

"Si existen intersecciones cónicas, lo cual es así, entonces la fase geométrica tiene que existir", dijo Brown, quien también ocupa cargos en física y química en Duke. "¿Pero qué significa decir que existe algo que no se puede medir?"

“Si existen intersecciones cónicas, que existen, entonces la fase geométrica tiene que existir. Pero, ¿qué significa decir que existe algo que no se puede medir?

kenneth marrón

En el artículo, Whitlow y sus compañeros utilizaron una computadora cuántica de cinco iones construida por el grupo de Jungsang Kim, profesor distinguido de ingeniería eléctrica e informática de la familia Schiciano en Duke. La computadora cuántica utiliza láseres para manipular átomos cargados en el vacío, proporcionando un alto nivel de control. Whitlow y Zhubing Jia, estudiante de doctorado en el laboratorio de Brown, también ampliaron la capacidad del sistema desarrollando formas de empujar físicamente los iones flotantes dentro de sus trampas electromagnéticas.

Según cómo se mueven los iones y el estado cuántico en el que se encuentran, fundamentalmente pueden exhibir exactamente los mismos mecanismos cuánticos que el movimiento de los átomos alrededor de una intersección cónica. Y como la dinámica cuántica de los iones atrapados es aproximadamente mil millones de veces más lenta que la de una molécula, los investigadores pudieron realizar mediciones directas de la fase geométrica en acción.

Los resultados se parecen a una luna creciente bidimensional. Como se muestra en el gráfico de intersección cónica, ciertas configuraciones en un lado del cono no logran llegar al otro lado del cono aunque no haya una barrera de energía. El experimento, dice Brown, es un ejemplo elegante de cómo incluso las rudimentarias computadoras cuánticas actuales pueden modelar y revelar el funcionamiento cuántico interno de sistemas cuánticos complejos.

"La belleza de los iones atrapados es que eliminan el entorno complicado y hacen que el sistema esté lo suficientemente limpio como para realizar estas mediciones", dijo Brown.

Un experimento independiente en la Universidad de Sydney, Australia, también observó los efectos de la fase geométrica utilizando un simulador cuántico de trampa de iones. El enfoque difiere en muchos detalles técnicos, pero las observaciones generales son consistentes. El trabajo de Sydney se publicará en el mismo número de Nature Chemistry.

Este trabajo fue apoyado por la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (W911NF-16-1-0082), la Fundación Nacional de Ciencias (Phy-1818914, OMA-2120757), el programa QSCOUT de la Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada del Departamento de Energía (DE-0019449 ) y la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-18-1-0218).

CITA: “Simulación de intersecciones cónicas con iones atrapados”, Jacob Whitlow, Zhubing Jia, Ye Wang, Chao Fang, Jungsang Kim y Kenneth R. Brown. Nature Chemistry, 28 de agosto de 2023. DOI: 10.1038/s41557-023-01303-0

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