Cientistas usam dispositivo quântico para desacelerar reação química simulada

Cientistas da Universidade de Sydneytenho, pela primeira vez, usaram um computador quântico para projetar e observar diretamente um processo crítico nas reações químicas, desacelerando-o por um fator de 100 bilhões de vezes.

A pesquisadora principal e estudante de doutorado, Vanessa Olaya Agudelo, disse: “É através da compreensão desses processos básicos dentro e entre as moléculas que podemos abrir um novo mundo de possibilidades na ciência dos materiais, no design de medicamentos ou na captação de energia solar. Também poderia ajudar a melhorar outros processos que dependem da interação de moléculas com a luz, como a forma como a poluição atmosférica é criada ou como a camada de ozônio é danificada.”

Especificamente, a equipe de pesquisa testemunhou o padrão de interferência de um único átomo causado por uma estrutura geométrica comum em química chamada “interseção cônica”.

As interseções cônicas são conhecidas em toda a química e são vitais para processos fotoquímicos rápidos, como a captação de luz na visão humana ou a fotossíntese.

Os químicos têm tentado observar diretamente tais processos geométricos na dinâmica química desde a década de 1950, mas não é viável observá-los diretamente, dados os prazos extremamente rápidos envolvidos.

Para contornar esse problema, pesquisadores quânticos da Escola de Física e da Escola de Química criaram um experimento usando um computador quântico de íons aprisionados de uma maneira completamente nova. Isto permitiu-lhes conceber e mapear este problema muito complicado num dispositivo quântico relativamente pequeno – e depois abrandar o processo por um factor de 100 mil milhões.

Os resultados de suas pesquisas são publicados na Nature Chemistry.

“Na natureza, todo o processo termina em femtossegundos”, disse Olaya Agudelo, da Escola de Química. “Isso é um bilionésimo de milionésimo – ou um quatrilionésimo – de segundo. Usando nosso computador quântico, construímos um sistema que nos permitiu desacelerar a dinâmica química de femtossegundos para milissegundos. Isso nos permitiu fazer observações e medições significativas. Isso nunca foi feito antes.”

O autor principal conjunto, Dr. Christophe Valahu, da Escola de Física, disse: “Até agora, não conseguimos observar diretamente a dinâmica da 'fase geométrica'; acontece rápido demais para ser investigado experimentalmente. Usando tecnologias quânticas, resolvemos esse problema.”

Valahu disse que é semelhante a simular os padrões do ar ao redor da asa de um avião em um túnel de vento.

“Nosso experimento não foi uma aproximação digital do processo – foi uma observação analógica direta da dinâmica quântica que se desenrolava a uma velocidade que podíamos observar”, disse ele.

Em reações fotoquímicas como a fotossíntese, pela qual as plantas obtêm energia do Sol, as moléculas transferem energia na velocidade da luz, formando áreas de troca conhecidas como interseções cônicas.

Este estudo desacelerou a dinâmica do computador quântico e revelou as características reveladoras previstas - mas nunca antes vistas - associadas às interseções cônicas na fotoquímica.

O coautor e líder da equipe de pesquisa, professor associado Ivan Kassal da Escola de Química e do Nano Institute da Universidade de Sydney, disse: “Este resultado emocionante nos ajudará a entender melhor a dinâmica ultrarrápida – como as moléculas mudam nas escalas de tempo mais rápidas. É tremendo que na Universidade de Sydney tenhamos acesso ao melhor computador quântico programável do país para conduzir esses experimentos.”

O computador quântico usado para conduzir o experimento está no Laboratório de Controle Quântico do professor Michael Biercuk, fundador da startup quântica Q-CTRL. O esforço experimental foi liderado pelo Dr. Ting Rei Tan.

Tan, coautor do estudo, disse: “Esta é uma colaboração fantástica entre teóricos da química e físicos quânticos experimentais. Estamos usando uma nova abordagem na física para resolver um problema de longa data na química.”

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da Universidade de Sydney