Des scientifiques de l’Université de Sydney ont utilisé un ordinateur quantique pour ralentir et observer directement un processus de réaction chimique clé, dévoilant des détails jusqu’alors inédits en raison de délais rapides. Cette percée offre de nouvelles perspectives pour la science des matériaux, la conception de médicaments et d’autres domaines.
Ce qui se passe en femtosecondes dans la nature peut désormais être observé en millisecondes en laboratoire.
Les scientifiques du Université de Sydney ont réalisé un exploit révolutionnaire en observant directement un processus de réaction chimique critique en utilisant un ordinateur quantique pour le ralentir d’un facteur 100 milliards de fois.
Vanessa Olaya Agudelo, chercheuse principale et doctorante, a déclaré : « C’est en comprenant ces processus fondamentaux à l’intérieur et entre les molécules que nous pouvons ouvrir un nouveau monde de possibilités dans la science des matériaux, la conception de médicaments ou la récupération de l’énergie solaire.
« Cela pourrait également contribuer à améliorer d’autres processus qui dépendent de l’interaction de molécules avec la lumière, comme la création du smog ou la détérioration de la couche d’ozone. »
Crédit : Sébastien Zentilomo
Le phénomène d’intersection conique
Plus précisément, l’équipe de recherche a été témoin du modèle d’interférence d’un seul atome causée par une structure géométrique courante en chimie appelée « intersection conique ».
Les intersections coniques sont connues dans toute la chimie et sont essentielles aux processus photochimiques rapides tels que la récolte de lumière dans la vision humaine ou photosynthèse.
Les chimistes tentent d’observer directement de tels processus géométriques en dynamique chimique depuis les années 1950, mais il n’est pas possible de les observer directement étant donné les échelles de temps extrêmement rapides impliquées.
Les auteurs principaux Vanessa Olaya Agudelo et le Dr Christophe Valahu devant l’ordinateur quantique du Sydney Nanoscience Hub utilisé dans l’expérience. Crédit : Stefanie Zingsheim/Université de Sydney
Pour contourner ce problème, des chercheurs quantiques de l’École de physique et de l’École de chimie ont créé une expérience utilisant un ordinateur quantique à ions piégés d’une manière complètement nouvelle. Cela leur a permis de concevoir et de cartographier ce problème très complexe sur un dispositif quantique relativement petit, puis de ralentir le processus d’un facteur 100 milliards.
Les résultats de leurs recherches ont été publiés le 28 août dans la revue Chimie naturelle.
« Dans la nature, tout le processus se déroule en quelques femtosecondes », a déclaré Mme Olaya Agudelo de l’École de chimie. « Cela représente un milliardième de millionième – ou un quadrillionième – de seconde. »
« À l’aide de notre ordinateur quantique, nous avons construit un système qui nous a permis de ralentir la dynamique chimique de quelques femtosecondes à quelques millisecondes. Cela nous a permis de faire des observations et des mesures significatives.
« Cela n’a jamais été fait auparavant. »
Un paquet d’ondes évoluant autour d’une intersection conique, mesuré expérimentalement à l’aide d’un ordinateur quantique à ions piégés de l’Université de Sydney.
Pour observer le comportement d’un paquet d’ondes autour d’une intersection conique simulée, les chercheurs ont utilisé un seul ion piégé – un seul atome chargé d’ytterbium confiné dans le vide par des champs électriques.
Il a ensuite été contrôlé et mesuré en appliquant une séquence complexe et précise d’impulsions laser.
Le modèle mathématique décrivant les intersections coniques a ensuite été intégré au système d’ions piégés.
L’ion a ensuite pu évoluer autour de l’intersection conique artificielle.
Les chercheurs ont ensuite construit un film de l’évolution de l’ion autour de l’intersection conique (voir GIF). Chaque image du GIF montre une image décrivant la probabilité de trouver l’ion à un ensemble spécifique de coordonnées.
Crédit : Université de Sydney
Le rôle de la technologie quantique
Le Dr Christophe Valahu, co-auteur principal de l’École de physique, a déclaré : « Jusqu’à présent, nous n’avons pas pu observer directement la dynamique de la « phase géométrique » ; cela arrive trop vite pour être exploré expérimentalement.
« Grâce aux technologies quantiques, nous avons résolu ce problème. »
Le Dr Valahu a déclaré que cela revenait à simuler les modèles d’air autour d’une aile d’avion dans une soufflerie.
« Notre expérience n’était pas une approximation numérique du processus. Il s’agissait d’une observation analogique directe de la dynamique quantique se déroulant à une vitesse que nous pouvions observer », a-t-il déclaré.
Dans les réactions photochimiques telles que la photosynthèse, par lesquelles les plantes tirent leur énergie du Soleil, les molécules transfèrent l’énergie à une vitesse fulgurante, formant des zones d’échange appelées intersections coniques.
Cette étude a ralenti la dynamique de l’ordinateur quantique et a révélé les caractéristiques révélatrices prédites – mais jamais vues auparavant – associées aux intersections coniques en photochimie.
Collaboration et implications futures
Le co-auteur et chef de l’équipe de recherche, le professeur agrégé Ivan Kassal de l’École de chimie et du Nano Institute de l’Université de Sydney, a déclaré : « Ce résultat passionnant nous aidera à mieux comprendre la dynamique ultrarapide – comment les molécules changent aux échelles de temps les plus rapides.
« C’est formidable qu’à l’Université de Sydney, nous ayons accès au meilleur ordinateur quantique programmable du pays pour mener ces expériences. »
L’ordinateur quantique utilisé pour mener l’expérience se trouve dans le laboratoire de contrôle quantique du professeur Michael Biercuk, fondateur de la startup quantique Q-CTRL. L’effort expérimental a été dirigé par le Dr Ting Rei Tan.
Le Dr Tan, co-auteur de l’étude, a déclaré : « Il s’agit d’une collaboration fantastique entre des théoriciens de la chimie et des physiciens quantiques expérimentaux. Nous utilisons une nouvelle approche en physique pour résoudre un problème de longue date en chimie.
La recherche a été financée par des subventions de l’Office of Naval Research des États-Unis ; le laboratoire du bureau de recherche de l’armée américaine pour les sciences physiques ; l’activité de projets de recherche avancée du renseignement américain ; Lockheed Martin; le Groupe australien des sciences et technologies de la défense, Sydney Quantum ; un prix de collaboration en partenariat entre l’Université de Sydney et l’Université de Californie à San Diego ; H. et A. Harley ; et par les ressources informatiques de l’infrastructure informatique nationale du gouvernement australien.
