28/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Các nhà nghiên cứu tại Đại học Duke đã triển khai một phương pháp dựa trên lượng tử để quan sát hiệu ứng lượng tử trong cách các phân tử hấp thụ ánh sáng tương tác với các photon tới. Được biết đến như một giao điểm hình nón, hiệu ứng này đặt ra những hạn chế đối với đường đi mà các phân tử có thể thực hiện để thay đổi giữa các cấu hình khác nhau. Phương pháp quan sát sử dụng mô phỏng lượng tử, được phát triển từ nghiên cứu về điện toán lượng tử và giải quyết một câu hỏi cơ bản, lâu dài trong hóa học quan trọng đối với các quá trình như quang hợp, thị giác và quang xúc tác. Nó cũng là một ví dụ về cách những tiến bộ trong điện toán lượng tử đang được sử dụng để nghiên cứu khoa học cơ bản. Kết quả xuất hiện trên tạp chí Hóa học tự nhiên (“Mô phỏng lượng tử các giao điểm hình nón sử dụng các ion bị bẫy”).
Kết quả thí nghiệm từ máy tính lượng tử (trái) rất phù hợp với lý thuyết (phải) là phương pháp dựa trên lượng tử đầu tiên cho thấy hiệu ứng lượng tử trong cách các phân tử hấp thụ ánh sáng tương tác với các photon tới. (Hình ảnh: Jacob Whitlow, Đại học Duke) “Ngay khi các nhà hóa học lượng tử gặp phải những hiện tượng giao nhau hình nón này, lý thuyết toán học cho biết rằng có một số cách sắp xếp phân tử nhất định không thể đạt được từ cái này sang cái khác,” Kenneth Brown, Michael cho biết J. Fitzpatrick Giáo sư Kỹ thuật xuất sắc tại Duke. “Ràng buộc đó, được gọi là pha hình học, không phải là không thể đo được, nhưng chưa ai có thể làm được điều đó. Việc sử dụng một thiết bị mô phỏng lượng tử đã cho chúng tôi một cách để nhìn thấy nó trong sự tồn tại lượng tử tự nhiên của nó.” Các giao điểm hình nón có thể được hình dung như một đỉnh núi chạm vào đỉnh phản xạ của nó từ phía trên và chi phối chuyển động của các electron giữa các trạng thái năng lượng. Nửa dưới của giao điểm hình nón biểu thị trạng thái năng lượng và vị trí vật lý của một phân tử không bị kích thích ở trạng thái cơ bản. Nửa trên đại diện cho cùng một phân tử nhưng với các electron của nó bị kích thích, hấp thụ năng lượng từ một hạt ánh sáng tới.
Phân tử không thể ở trạng thái cao nhất - các electron của nó nằm ngoài vị trí so với các nguyên tử chủ của chúng. Để trở về trạng thái năng lượng thấp thuận lợi hơn, các nguyên tử của phân tử bắt đầu tự sắp xếp lại để gặp các electron. Điểm mà hai ngọn núi gặp nhau - giao điểm hình nón - tượng trưng cho một điểm uốn. Các nguyên tử có thể không thể sang phía bên kia bằng cách điều chỉnh lại trạng thái ban đầu, thải năng lượng dư thừa vào các phân tử xung quanh chúng trong quá trình này hoặc chúng có thể thực hiện chuyển đổi thành công.
Tuy nhiên, vì các nguyên tử và electron chuyển động quá nhanh nên chúng thể hiện các hiệu ứng lượng tử. Thay vì ở bất kỳ hình dạng nào - tại bất kỳ vị trí nào trên núi - tại bất kỳ thời điểm nào, phân tử thực sự có nhiều hình dạng cùng một lúc. Người ta có thể nghĩ về tất cả những địa điểm có thể có này như được thể hiện bằng một tấm chăn quấn quanh một phần cảnh quan miền núi.
Nhưng do một sai sót toán học trong hệ thống xuất phát từ toán học cơ bản, được gọi là pha hình học, nên một số biến đổi phân tử nhất định không thể xảy ra. Tấm chăn không thể quấn hoàn toàn quanh ngọn núi.
Jacob Whitlow, một nghiên cứu sinh tiến sĩ đang nghiên cứu cho biết: “Nếu một phân tử có hai con đường khác nhau để có được hình dạng cuối cùng giống nhau và những con đường đó tình cờ bao quanh một giao điểm hình nón, thì phân tử đó sẽ không thể có được hình dạng đó”. trong phòng thí nghiệm của Brown. “Đó là một hiệu ứng khó có được trực giác, bởi vì pha hình học rất kỳ lạ ngay cả từ quan điểm cơ học lượng tử.” Việc đo hiệu ứng lượng tử này luôn là một thách thức vì nó vừa tồn tại trong thời gian ngắn, ở mức femto giây, vừa nhỏ ở quy mô nguyên tử. Và bất kỳ sự gián đoạn nào đối với hệ thống sẽ ngăn cản việc đo lường của nó. Trong khi nhiều phần nhỏ hơn của hiện tượng giao nhau hình nón lớn hơn đã được nghiên cứu và đo lường thì pha hình học luôn lảng tránh các nhà nghiên cứu.
“Nếu các giao điểm hình nón tồn tại – đúng như vậy – thì pha hình học phải tồn tại,” Brown, người cũng giữ chức vụ vật lý và hóa học ở Duke, cho biết. “Nhưng nói rằng có thứ gì đó tồn tại mà bạn không thể đo lường được thì có nghĩa là gì?” Trong bài báo, Whitlow và các đồng nghiệp đã sử dụng một máy tính lượng tử XNUMX ion được chế tạo bởi nhóm Jungsang Kim, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính nổi tiếng của Gia đình Schiciano tại Duke. Máy tính lượng tử sử dụng tia laser để điều khiển các nguyên tử tích điện trong chân không, mang lại mức độ kiểm soát cao. Whitlow và Zhubing Jia, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Brown, cũng mở rộng khả năng của hệ thống bằng cách phát triển các cách để đẩy các ion nổi bên trong bẫy điện từ của chúng.
Dựa trên cách các ion được di chuyển và trạng thái lượng tử mà chúng được đặt vào, về cơ bản chúng có thể thể hiện các cơ chế lượng tử giống hệt như chuyển động của các nguyên tử xung quanh một giao điểm hình nón. Và vì động lực lượng tử của các ion bị bẫy chậm hơn khoảng một tỷ lần so với động lực lượng tử của phân tử, nên các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các phép đo trực tiếp về pha hình học đang hoạt động.
Kết quả trông giống như mặt trăng lưỡi liềm hai chiều. Như được mô tả trong biểu đồ giao điểm hình nón, một số cấu hình nhất định ở một bên của hình nón không thể chạm tới phía bên kia của hình nón mặc dù không có rào cản năng lượng. Brown cho biết, thí nghiệm này là một ví dụ điển hình về cách mà ngay cả những máy tính lượng tử thô sơ ngày nay cũng có thể mô hình hóa và tiết lộ hoạt động lượng tử bên trong của các hệ lượng tử phức tạp.
Brown cho biết: “Vẻ đẹp của các ion bị bẫy là chúng loại bỏ môi trường phức tạp và làm cho hệ thống đủ sạch để thực hiện các phép đo này”.
thí nghiệm độc lập tại Đại học Sydney, Úc cũng đã quan sát thấy tác động của pha hình học bằng cách sử dụng thiết bị mô phỏng lượng tử bẫy ion. Cách tiếp cận này khác nhau ở nhiều chi tiết kỹ thuật, nhưng quan sát tổng thể thì nhất quán.
Kết quả thí nghiệm từ máy tính lượng tử (trái) rất phù hợp với lý thuyết (phải) là phương pháp dựa trên lượng tử đầu tiên cho thấy hiệu ứng lượng tử trong cách các phân tử hấp thụ ánh sáng tương tác với các photon tới. (Hình ảnh: Jacob Whitlow, Đại học Duke) “Ngay khi các nhà hóa học lượng tử gặp phải những hiện tượng giao nhau hình nón này, lý thuyết toán học cho biết rằng có một số cách sắp xếp phân tử nhất định không thể đạt được từ cái này sang cái khác,” Kenneth Brown, Michael cho biết J. Fitzpatrick Giáo sư Kỹ thuật xuất sắc tại Duke. “Ràng buộc đó, được gọi là pha hình học, không phải là không thể đo được, nhưng chưa ai có thể làm được điều đó. Việc sử dụng một thiết bị mô phỏng lượng tử đã cho chúng tôi một cách để nhìn thấy nó trong sự tồn tại lượng tử tự nhiên của nó.” Các giao điểm hình nón có thể được hình dung như một đỉnh núi chạm vào đỉnh phản xạ của nó từ phía trên và chi phối chuyển động của các electron giữa các trạng thái năng lượng. Nửa dưới của giao điểm hình nón biểu thị trạng thái năng lượng và vị trí vật lý của một phân tử không bị kích thích ở trạng thái cơ bản. Nửa trên đại diện cho cùng một phân tử nhưng với các electron của nó bị kích thích, hấp thụ năng lượng từ một hạt ánh sáng tới.
Phân tử không thể ở trạng thái cao nhất - các electron của nó nằm ngoài vị trí so với các nguyên tử chủ của chúng. Để trở về trạng thái năng lượng thấp thuận lợi hơn, các nguyên tử của phân tử bắt đầu tự sắp xếp lại để gặp các electron. Điểm mà hai ngọn núi gặp nhau - giao điểm hình nón - tượng trưng cho một điểm uốn. Các nguyên tử có thể không thể sang phía bên kia bằng cách điều chỉnh lại trạng thái ban đầu, thải năng lượng dư thừa vào các phân tử xung quanh chúng trong quá trình này hoặc chúng có thể thực hiện chuyển đổi thành công.
Tuy nhiên, vì các nguyên tử và electron chuyển động quá nhanh nên chúng thể hiện các hiệu ứng lượng tử. Thay vì ở bất kỳ hình dạng nào - tại bất kỳ vị trí nào trên núi - tại bất kỳ thời điểm nào, phân tử thực sự có nhiều hình dạng cùng một lúc. Người ta có thể nghĩ về tất cả những địa điểm có thể có này như được thể hiện bằng một tấm chăn quấn quanh một phần cảnh quan miền núi.
Nhưng do một sai sót toán học trong hệ thống xuất phát từ toán học cơ bản, được gọi là pha hình học, nên một số biến đổi phân tử nhất định không thể xảy ra. Tấm chăn không thể quấn hoàn toàn quanh ngọn núi.
Jacob Whitlow, một nghiên cứu sinh tiến sĩ đang nghiên cứu cho biết: “Nếu một phân tử có hai con đường khác nhau để có được hình dạng cuối cùng giống nhau và những con đường đó tình cờ bao quanh một giao điểm hình nón, thì phân tử đó sẽ không thể có được hình dạng đó”. trong phòng thí nghiệm của Brown. “Đó là một hiệu ứng khó có được trực giác, bởi vì pha hình học rất kỳ lạ ngay cả từ quan điểm cơ học lượng tử.” Việc đo hiệu ứng lượng tử này luôn là một thách thức vì nó vừa tồn tại trong thời gian ngắn, ở mức femto giây, vừa nhỏ ở quy mô nguyên tử. Và bất kỳ sự gián đoạn nào đối với hệ thống sẽ ngăn cản việc đo lường của nó. Trong khi nhiều phần nhỏ hơn của hiện tượng giao nhau hình nón lớn hơn đã được nghiên cứu và đo lường thì pha hình học luôn lảng tránh các nhà nghiên cứu.
“Nếu các giao điểm hình nón tồn tại – đúng như vậy – thì pha hình học phải tồn tại,” Brown, người cũng giữ chức vụ vật lý và hóa học ở Duke, cho biết. “Nhưng nói rằng có thứ gì đó tồn tại mà bạn không thể đo lường được thì có nghĩa là gì?” Trong bài báo, Whitlow và các đồng nghiệp đã sử dụng một máy tính lượng tử XNUMX ion được chế tạo bởi nhóm Jungsang Kim, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính nổi tiếng của Gia đình Schiciano tại Duke. Máy tính lượng tử sử dụng tia laser để điều khiển các nguyên tử tích điện trong chân không, mang lại mức độ kiểm soát cao. Whitlow và Zhubing Jia, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Brown, cũng mở rộng khả năng của hệ thống bằng cách phát triển các cách để đẩy các ion nổi bên trong bẫy điện từ của chúng.
Dựa trên cách các ion được di chuyển và trạng thái lượng tử mà chúng được đặt vào, về cơ bản chúng có thể thể hiện các cơ chế lượng tử giống hệt như chuyển động của các nguyên tử xung quanh một giao điểm hình nón. Và vì động lực lượng tử của các ion bị bẫy chậm hơn khoảng một tỷ lần so với động lực lượng tử của phân tử, nên các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các phép đo trực tiếp về pha hình học đang hoạt động.
Kết quả trông giống như mặt trăng lưỡi liềm hai chiều. Như được mô tả trong biểu đồ giao điểm hình nón, một số cấu hình nhất định ở một bên của hình nón không thể chạm tới phía bên kia của hình nón mặc dù không có rào cản năng lượng. Brown cho biết, thí nghiệm này là một ví dụ điển hình về cách mà ngay cả những máy tính lượng tử thô sơ ngày nay cũng có thể mô hình hóa và tiết lộ hoạt động lượng tử bên trong của các hệ lượng tử phức tạp.
Brown cho biết: “Vẻ đẹp của các ion bị bẫy là chúng loại bỏ môi trường phức tạp và làm cho hệ thống đủ sạch để thực hiện các phép đo này”.
thí nghiệm độc lập tại Đại học Sydney, Úc cũng đã quan sát thấy tác động của pha hình học bằng cách sử dụng thiết bị mô phỏng lượng tử bẫy ion. Cách tiếp cận này khác nhau ở nhiều chi tiết kỹ thuật, nhưng quan sát tổng thể thì nhất quán.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- ChartPrime. Nâng cao trò chơi giao dịch của bạn với ChartPrime. Truy cập Tại đây.
- BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63545.php
