Att bygga billigare och effektivare hållbara energialternativ, vi behöver veta mycket mer än vad vi för närvarande gör om de kemiska reaktionerna som omvandlar solenergi till elektricitet. Ett av de bästa sätten att göra det är genom datormodeller som simulerar komplexa molekylära interaktioner. Även om klassiska datorer har tjänat detta ändamål långt under de senaste decennierna, förklarar vi i en ny forskningsstudie de speciella egenskaperna hos kvantberäkning som hjälper forskare att avancera teknik för omvandling av solenergi, artificiell fotosyntes och solceller till en helt ny nivå.

Vår studie, "Simulering av kvantslag i radikala par på en bullrig kvantdator, "beskriver hur IBM Research och University of Notre Dame forskare - med hjälp av studenter vid Georgetown University, DePaul University, Illinois Institute of Technology och Occidental College i Los Angeles-använde en molnbaserad IBM Quantum-dator för att simulera hur ett kemiskt reaktionsresultat styrs av tidens utveckling av de två reaktanternas intrasslade tillstånd, och hur detta spin -kemifenomen påverkas av den gradvisa förlusten av magnetisering och avfasning som orsakas av termiska fluktuationer.

Snurrkemi är ett kemi som handlar om magnetiska spinneffekter i kemiska reaktioner. Den kopplar kvantfenomen som superposition och intrassling till påtagliga kemiska parametrar som reaktionsutbyte (mängden av vad en kemisk reaktion producerar). Med en kvantdator, spinnkemi gör att vi direkt kan simulera några dynamiska kemiska processer, i grunden kinetiken för kemiska reaktioner. Spinneffekter i radikala par spelar en viktig roll i processer som ligger till grund för solenergiomvandling.

Notre Dame -forskare hade i åratal använt klassiska datorer för att studera spinnkemi. Simuleringar som skapats med dessa datorer, dock, krävde introduktion av artificiellt buller för att realistiskt efterlikna kemiska reaktioner. År 2018, forskarna hoppade på chansen att skapa mer detaljerade spin-kemisimuleringar med IBM:s allmänt tillgängliga 5-qubit kvantdatorer. Och i april 2019, Notre Dame hade anslutit sig till IBM Q Network, som erbjöd dem tillgång till IBM Quantum -datorsystem och expertis som de sökte för att genomföra sina spin -kemi -experiment.

Arbetar tillsammans, vårt team av forskare använde en kvantdator för att simulera hur spinneffekter styr reaktionsutbytet. I detta fall, två möjliga reaktionsprodukter var molekyler i två olika typer av upphetsade tillstånd - antingen singlet (med spin 0) eller triplet (med spin 1), var och en innehåller olika mängder energi. I systemet vi studerade, experimentella data publicerade av V.A. Bagryanskys grupp — av V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion - uttrycks i fluorescens eller fosforescens, vilket hjälper oss att bättre förstå hur en reaktion fungerar på molekylär nivå. I detta system, molekylernas signalförlust mättes med fluorescens.

Molekylernas förlust av magnetisering på grund av elektronspinnavslappning var analog med magnetband som förlorade sin förmåga att lagra information på grund av överdriven värme. Magnetiska medier - i hög grad ersatta av blixt, men används fortfarande för arkivförvaring - är gjord av öar av magnetiskt material. Under en lång tid, tillverkare av magnetiska medier kämpade med att deras utrustning kördes i rumstemperatur eller varmare eftersom värmen försvagade de magnetiska signalerna med tiden. Snabb elektronspinnavslappning kan på samma sätt minska effektiviteten av spinntransport i applikationer för omvandling av solenergi.

Vårt experiment var framgångsrikt i två riktningar, gör det möjligt för oss att studera kvantdatorbeteende samt spinnkemi. Till skillnad från de flesta experiment på kvantdatorer, som försöker utnyttja teknikens otroliga potential genom att dra fördel av qubits korta liv-mätbara i mikrosekunder-försökte vi sakta ner beräkningarna som skickades till våra två-qubit-kretsar. Det gjorde att vi kunde titta i detalj på vad grindarna och qubiterna gjorde under många sekunder och till och med minuter.

Normalt inom kvantberäkning, någon skickar in ett program, den springer, mätningar görs, och programmet stannar. Istället, vi använde OpenPulse, ett programmeringsspråk inom Qiskit-källkalkylramen med öppen källkod, för att specificera pulsnivåkontroll på kvantanordningen. Vi bromsade beräkningarna så att vi kunde se kvantdatorns brusprocesser. Buller är en naturlig egenskap hos qubits, men begränsar antalet beräkningar de kan utföra och introducerar fel i de slutliga resultaten. När vi fortsätter vårt arbete på detta område, vi kommer att kunna bidra till kunskapen hos dem som studerar hur man kan mildra sådant brus och skapa mer robusta och mindre felbenägna kvantdatorer i framtiden.

Vår forskning fungerar som ett nytt användningsfall för kvantberäkning. Vi visade det qubitbruset, vanligtvis ett hinder för kvantdatoranvändning, kan faktiskt vara en fördel jämfört med en klassisk dator för kemiska simuleringar.

Blickar framåt, Vi hoppas att OpenPulse kommer att bli mer ett verktyg för att konstruera brus och ändra kvantesignaler. Den större kontrollen som OpenPulse kan erbjuda, de bättre framtida experimenten kan simulera - och använda - brus för att bättre förstå komplexa kemiska fenomen som artificiell fotosyntes och solenergiomvandling.