Учёные из Сиднейского университета совершили прорыв, применив законы квантовой механики для наблюдения за фундаментальным молекулярным процессом, лежащим в основе таких явлений, как фотосинтез. Используя квантовый компьютер, они смогли искусственно замедлить ход химической реакции в 100 миллиардов раз, что позволило впервые напрямую увидеть сверхбыстрые преобразования, ранее недоступные для прямого наблюдения из-за своей феноменальной скорости.
Квантовая механика, остающаяся одной из самых интригующих областей физики, продолжает предоставлять инструменты для изучения мира на атомном уровне. Команда из Сиднейского университета сделала значительный шаг вперёд, сумев зафиксировать так называемый «молекулярный танец» — ключевой этап многих химических превращений. Это достижение открывает новые горизонты для понимания природы фотосинтеза, разрушения озонового слоя и других важнейших процессов. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном журнале «Естественная химия».
Что такое коническое пересечение и почему оно важно?
В центре исследования лежит изучение сложного молекулярного взаимодействия, известного как «коническое пересечение». Это фундаментальное понятие в химии и физике, описывающее особые точки, в которых энергетические поверхности двух молекулярных состояний становятся одинаковыми. Когда эти поверхности пересекаются, образуется та самая «воронка» или «вихрь» на квантовом уровне.
Значимость этого явления огромна: конические пересечения действуют как эффективные «переключатели» или скоростные магистрали для электронов, позволяя им почти мгновенно переходить из одного энергетического состояния в другое. Именно такие быстрые переходы являются движущей силой множества химических реакций, включая поглощение света в процессе фотосинтеза. Таким образом, изучение конических пересечений даёт ключ к пониманию механизмов реакций на самом глубоком, субатомном уровне.
Как квантовый компьютер помог замедлить время
Прямое наблюдение за коническими пересечениями — чрезвычайно сложная задача, поскольку связанные с ними процессы длятся фемтосекунды (одна миллионная от одной миллиардной доли секунды). Традиционными методами зафиксировать такие события практически невозможно.
Прорыв стал возможен благодаря использованию квантового компьютера на ионных ловушках. В отличие от классических компьютеров, такие системы используют контролируемые квантовые частицы (ионы), удерживаемые в электрических полях и управляемые лазерами. Эта платформа позволяет не вычислять, а фактически воспроизводить и наблюдать квантовые явления в режиме, удобном для изучения.
Ванесса Олайя Агудело, ведущий автор исследования, пояснила суть достижения: «С помощью нашего квантового компьютера мы построили систему, которая замедлила химическую динамику с фемтосекунд до миллисекунд. Это дало нам беспрецедентную возможность провести детальные наблюдения и измерения». Её коллега, доктор Кристоф Валаху, подчеркнул: «Наш эксперимент — не компьютерное моделирование, а прямое аналоговое наблюдение квантовой динамики в замедленном, доступном для анализа темпе».
Снимки моделирования атома.
Перспективы и значение открытия
Возможность наблюдать и анализировать сверхбыструю молекулярную динамику открывает новые пути в различных научных и технологических областях.
- Материаловедение: Глубокое понимание молекулярных взаимодействий может привести к созданию новых материалов с заданными свойствами, например, более эффективных солнечных батарей или сверхпроводников.
- Фармакология и медицина: Точное знание о том, как происходят реакции на квантовом уровне, позволит разрабатывать лекарства, которые будут точечно воздействовать на молекулярные мишени, повышая эффективность и снижая побочные эффекты.
- Экология и климатология: Исследование поможет лучше понять сложные химические процессы в атмосфере, приводящие к образованию смога или разрушению озонового слоя. Это, в свою очередь, позволит разрабатывать более эффективные стратегии защиты окружающей среды.
Таким образом, работа австралийских учёных — это не просто наблюдение за «молекулярным танцем». Это создание принципиально нового инструмента для изучения самой основы химической материи, который может коренным образом изменить многие области нашей жизни — от энергетики до медицины.