Naukowcy dokonują „znaczącego kroku naprzód” w zakresie symulacji kwantowej molekularnego transferu elektronów

Naukowcy z Uniwersytetu Rice poczynili znaczący postęp w symulacji molekularnego transferu elektronów — podstawowego procesu leżącego u podstaw niezliczonych procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Badanie opublikowane w Postęp naukiszczegółowo opisuje zastosowanie symulatora kwantowego uwięzionych jonów do modelowania dynamiki transferu elektronów z niespotykaną dotąd możliwością przestrajania, otwierając nowe możliwości eksploracji naukowej w różnych dziedzinach, od elektroniki molekularnej po fotosyntezę.

Transfer elektronów, krytyczny dla procesów takich jak oddychanie komórkowe i pozyskiwanie energii w roślinach, od dawna stanowił wyzwanie dla naukowców ze względu na złożone interakcje kwantowe. Obecne techniki obliczeniowe często nie są w stanie uchwycić pełnego zakresu tych procesów. Multidyscyplinarny zespół w Rice, w skład którego wchodzą fizycy, chemicy i biolodzy, stawił czoła tym wyzwaniom, tworząc programowalny system kwantowy zdolny do niezależnego kontrolowania kluczowych czynników przenoszenia elektronów: przerw energetycznych donor-akceptor, sprzężeń elektronicznych i wibracyjnych oraz rozpraszania w środowisku.

Wykorzystując kryształ jonowy uwięziony w układzie próżniowym i manipulowany światłem lasera, badacze wykazali zdolność do symulowania dynamiki wirowania w czasie rzeczywistym i pomiaru szybkości transferu w różnych warunkach. Odkrycia nie tylko potwierdzają kluczowe teorie mechaniki kwantowej, ale także torują drogę nowym wglądom w systemy zbierania światła i urządzenia molekularne.

„Po raz pierwszy symulowano tego rodzaju model na urządzeniu fizycznym, uwzględniając rolę środowiska, a nawet dostosowując go w kontrolowany sposób” – powiedział główny badacz Guido Pagano, adiunkt fizyki i astronomii. „Stanowi to znaczący krok naprzód w zakresie naszych możliwości wykorzystania symulatorów kwantowych do badania modeli i reżimów istotnych dla chemii i biologii. Mamy nadzieję, że wykorzystując moc symulacji kwantowej, w końcu będziemy w stanie zbadać scenariusze, które są obecnie niedostępne dla klasycznych metod obliczeniowych.”

Zespół osiągnął znaczący kamień milowy, pomyślnie replikując standardowy model molekularnego transferu elektronów za pomocą programowalnej platformy kwantowej. Dzięki precyzyjnej inżynierii przestrajalnego rozpraszania naukowcy zbadali zarówno adiabatyczny, jak i nieadiabatyczny reżim przenoszenia elektronów, demonstrując, jak te efekty kwantowe działają w różnych warunkach. Ponadto w ramach symulacji zidentyfikowano optymalne warunki transferu elektronów, które odpowiadają mechanizmom transportu energii obserwowanym w naturalnych układach fotosyntetycznych.

„Nasza praca opiera się na pytaniu: czy sprzęt kwantowy może zostać użyty do bezpośredniej symulacji dynamiki chemicznej?” – powiedział Pagano. „W szczególności, czy możemy uwzględnić w tych symulacjach skutki środowiskowe, ponieważ odgrywają one kluczową rolę w procesach niezbędnych do życia, takich jak fotosynteza i transfer elektronów w biomolekułach? Zajęcie się tym pytaniem jest istotne, ponieważ możliwość bezpośredniej symulacji transferu elektronów w biomolekułach może dostarczyć cennych informacji za projektowanie nowych materiałów zbierających światło.”

Konsekwencje dla zastosowań praktycznych są dalekosiężne. Zrozumienie procesów przenoszenia elektronów na tym poziomie może doprowadzić do przełomu w technologiach energii odnawialnej, elektronice molekularnej, a nawet do opracowania nowych materiałów do obliczeń kwantowych.

„Ten eksperyment to obiecujący pierwszy krok w kierunku głębszego zrozumienia, w jaki sposób efekty kwantowe wpływają na transport energii, szczególnie w układach biologicznych, takich jak kompleksy fotosyntetyczne” – powiedział Jose N. Onuchic, współautor badania, Harry C. i Olga K. Wiess Katedra Fizyki i profesor fizyki i astronomii, chemii i nauk biologicznych. „Wgląd, jaki uzyskamy w tego typu eksperymentach, może zainspirować do projektowania bardziej wydajnych materiałów zbierających światło”.

Peter G. Wolynes, współautor badania, profesor nauk ścisłych Fundacji DR Bullarda-Welcha oraz profesor chemii, nauk biologicznych, fizyki i astronomii, podkreślił szersze znaczenie odkryć: „To badanie wypełnia lukę między przewidywaniami teoretycznymi a weryfikacją eksperymentalną , oferując doskonale przestrajalne ramy do badania procesów kwantowych w złożonych systemach.

Zespół planuje rozszerzyć swoje symulacje o bardziej złożone układy molekularne, takie jak te biorące udział w fotosyntezie i transporcie ładunku DNA. Naukowcy mają także nadzieję zbadać rolę spójności i delokalizacji kwantowej w transferze energii, wykorzystując unikalne możliwości swojej platformy kwantowej.

„To dopiero początek” – powiedział Han Pu, współautor badania oraz profesor fizyki i astronomii. „Jesteśmy podekscytowani możliwością odkrycia, w jaki sposób ta technologia może pomóc w rozwikłaniu kwantowych tajemnic życia i nie tylko”.

Pozostali współautorzy badania to absolwenci Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Abhishek Menon, Mingjian Zhu i naukowiec Roman Zhuravel.