Des scientifiques utilisent un dispositif quantique pour ralentir une réaction chimique simulée 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.”

Plus précisément, l’équipe de recherche a été témoin du motif d’interférence d’un seul atome provoqué par une structure géométrique commune en chimie appelée « intersection conique ».

Les intersections coniques sont connues dans toute la chimie et sont essentielles aux processus photochimiques rapides tels que la récupération de la lumière dans la vision humaine ou la 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.

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 sont publiés aujourd’hui dans 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.”

Le Dr Christophe Valahu, co-auteur principal de l’École de physique, a déclaré : « Jusqu’à présent, nous avons été incapables d’observer directement la dynamique de la « phase géométrique » ; elle se produit trop rapidement pour être explorée 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.

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.”