Om goedkopere en efficiëntere duurzame energieopties te bouwen, we moeten veel meer weten dan we nu doen over de chemische reacties die zonne-energie omzetten in elektriciteit. Een van de beste manieren om dat te doen is door middel van computermodellen die complexe moleculaire interacties simuleren. Hoewel klassieke computers dit doel de afgelopen decennia goed hebben gediend, we leggen in een nieuwe onderzoeksstudie de speciale kwaliteiten van kwantumcomputing uit die onderzoekers zullen helpen bij het ontwikkelen van technologieën voor de conversie van zonne-energie, kunstmatige fotosynthese en fotovoltaïsche energie naar een geheel nieuw niveau.

onze studie, "Simulatie van kwantumbeats in radicale paren op een luidruchtige kwantumcomputer, " beschrijft hoe IBM Research en de Universiteit van Notre Dame wetenschappers - met hulp van studenten van Georgetown University, DePaul-universiteit, Illinois Institute of Technology en Occidental College in Los Angeles - gebruikten een cloudgebaseerde IBM Quantum-computer om te simuleren hoe de uitkomst van een chemische reactie wordt bepaald door de tijdsevolutie van de verstrengelde toestand van de twee reactanten, en hoe dit fenomeen van de spinchemie wordt beïnvloed door het geleidelijke verlies van magnetisatie en defasering veroorzaakt door thermische fluctuaties.

Spinchemie is een deelgebied van de chemie dat zich bezighoudt met magnetische spin-effecten in chemische reacties. Het verbindt kwantumfenomenen zoals superpositie en verstrengeling met tastbare chemieparameters zoals reactieopbrengst (de hoeveelheid van wat een chemische reactie produceert). Met een kwantumcomputer spinchemie stelt ons in staat om enkele dynamische chemische processen direct te simuleren, eigenlijk de kinetiek van chemische reacties. Spin-effecten in radicale paren spelen een belangrijke rol in processen die ten grondslag liggen aan de omzetting van zonne-energie.

Notre Dame-onderzoekers hadden jarenlang klassieke computers gebruikt om spinchemie te bestuderen. Simulaties gemaakt met behulp van die computers, echter, vereiste de introductie van kunstmatige ruis om te proberen chemische reacties realistisch na te bootsen. in 2018, de onderzoekers grepen de kans aan om meer gedetailleerde spinchemie-simulaties te maken met behulp van IBM's openbaar beschikbare 5-qubit kwantumcomputers. En tegen april 2019, Notre Dame was toegetreden tot het IBM Q Network, die hen toegang bood tot IBM Quantum-computersystemen en expertise die ze zochten om hun spinchemie-experimenten uit te voeren.

Samenwerken, ons team van wetenschappers gebruikte een kwantumcomputer om te simuleren hoe spin-effecten de reactieopbrengst bepalen. In dit geval, twee mogelijke reactieproducten waren moleculen in twee verschillende soorten aangeslagen toestanden:singlet (met spin 0) of triplet (met spin 1), met elk een andere hoeveelheid energie. In het systeem dat we hebben bestudeerd, experimentele gegevens gepubliceerd door V.A. Bagryansky's groep - van de V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion - wordt uitgedrukt in fluorescentie of fosforescentie, waardoor we beter begrijpen hoe een reactie op moleculair niveau werkt. In dit systeem, het signaalverlies van de moleculen werd gemeten met behulp van fluorescentie.

Het verlies van magnetisatie van de moleculen als gevolg van relaxatie van de elektronspin was analoog aan het verlies van magnetische tape door zijn vermogen om informatie op te slaan als gevolg van overmatige hitte. Magnetische media—grotendeels vervangen door flits, maar nog steeds gebruikt voor archiefopslag - is gemaakt van eilanden van magnetisch materiaal. Voor een lange tijd, fabrikanten van magnetische media worstelden met het feit dat hun apparatuur op kamertemperatuur of heter draaide omdat hitte de magnetische signalen in de loop van de tijd verzwakte. Snelle elektron-spinrelaxatie kan eveneens de efficiëntie van spintransport in zonne-energieconversietoepassingen verminderen.

Het succes van ons experiment was tweerichtingsverkeer, waardoor we zowel kwantumcomputergedrag als spinchemie kunnen bestuderen. In tegenstelling tot de meeste experimenten op kwantumcomputers, die het ongelooflijke potentieel van de technologie willen benutten door te profiteren van de korte levensduur van qubits - meetbaar in microseconden - probeerden we de berekeningen die naar onze twee-qubit-circuits werden gestuurd, te vertragen. Dat stelde ons in staat om in detail te kijken naar wat de poorten en qubits gedurende vele seconden en zelfs minuten deden.

Normaal gesproken in kwantumcomputers, iemand dient een programma in, het rent, metingen worden gedaan, en het programma stopt. In plaats daarvan, we gebruikten OpenPulse, een programmeertaal binnen het Qiskit open-source quantum-computing framework, om pulsniveaucontrole op het kwantumapparaat te specificeren. We vertraagden de berekeningen zodat we de ruisprocessen van de kwantumcomputer konden zien. Ruis is een natuurlijke eigenschap van qubits, maar beperkt het aantal berekeningen dat ze kunnen uitvoeren en introduceert fouten in de uiteindelijke resultaten. Terwijl we ons werk op dit gebied voortzetten, we kunnen bijdragen aan de kennis van degenen die bestuderen hoe dergelijke ruis kan worden verminderd en in de toekomst robuustere en minder foutgevoelige kwantumcomputers kunnen worden gemaakt.

Ons onderzoek dient als een nieuwe use case voor quantum computing. We hebben die qubit-ruis laten zien, typisch een belemmering voor het gebruik van kwantumcomputers, kan zelfs een voordeel zijn ten opzichte van een klassieke computer voor chemische simulaties.

Vooruit kijken, we hopen dat OpenPulse meer een hulpmiddel zal worden om ruis te ontwikkelen en kwantumsignalen te veranderen. De grotere controle die OpenPulse kan bieden, de betere toekomstige experimenten kunnen ruis simuleren en gebruiken om complexe chemische fenomenen zoals kunstmatige fotosynthese en omzetting van zonne-energie beter te begrijpen.