Kvanttisimulointi loi Möbiuksen elektronitopologiaa

Kansainvälinen tiedemiesryhmä IBM:stä, Manchesterin, Oxfordin ja ETH Zürichin EPFL:stä sekä Regensburgin yliopistoista on luonut ja karakterisoinut molekyylin, jollaista ei ole aiemmin tunnettu – molekyylin, jonka elektronit kulkevat rakenteensa läpi korkkiruuvimaisessa kuviossa, mikä muuttaa perusteellisesti sen kemiallista käyttäytymistä.

Science- lehdessä julkaistu tutkimus on ensimmäinen kokeellinen havainto puoliksi Möbiuksen elektronitopologiasta yhdessä molekyylissä. Tutkijoiden tietämyksen mukaan tällaisen topologian omaavaa molekyyliä ei ole koskaan aiemmin syntetisoitu, havaittu tai edes virallisesti ennustettu.

Tämän molekyylin käyttäytymisen ymmärtäminen elektronisen rakenteen tasolla vaati jotakin yhtä perustavanlaatuista: korkean tarkkuuden kvanttilaskennan simulaatiota. Löytö edistää tiedettä kahdella rintamalla. Kemian osalta se osoittaa, että elektronitopologiaa – ominaisuutta, joka määrää elektronien liikkumisen molekyylin läpi – voidaan tarkoituksella muokata, eikä sitä voida vain löytää luonnosta.

Kvanttilaskennassa se on konkreettinen osoitus kvanttisimulaatiosta, joka tekee sen, mihin se on suunniteltu: esittää kvanttimekaanista käyttäytymistä suoraan molekyylitasolla ja tuottaa tieteellistä tietoa, joka muuten olisi jäänyt saavuttamattomiin.

”Ensin suunnittelimme molekyylin, jonka ajattelimme olevan luotavissa, sitten rakensimme sen ja lopuksi validoimme sen ja sen eksoottiset ominaisuudet kvanttitietokoneella”, sanoo Alessandro Curioni, IBM Felloe ja IBM Research Zürichin johtaja. ”Tämä on harppaus kohti tunnetun fyysikon Richard Feynmanin vuosikymmeniä sitten esittämää unelmaa rakentaa tietokone, joka pystyy parhaiten simuloimaan kvanttifysiikkaa ja demonstraatioon, jossa, kuten hän sanoi, 'pohjalla on paljon tilaa'. Tämän tutkimuksen menestys on askel kohti tätä visiota ja avaa oven uusille tavoille tutkia maailmaamme ja sen sisällä olevaa ainetta.”

”Tämän molekyylin epätriviaali topologia ja monien muiden järjestelmien eksoottinen käyttäytyminen johtuvat niiden elektronien välisistä vuorovaikutuksista. Elektronien simulointi klassisilla tietokoneilla on erittäin vaikeaa – kymmenen vuotta sitten pystyimme mallintamaan täsmälleen 16 elektronia, ja nykyään voimme mallintaa jopa 18. Kvanttitietokoneet sopivat luonnostaan hyvin tähän ongelmaan, koska niiden kubitit ovat kvanttiobjekteja, jotka peilaavat elektroneja. IBM:n kvanttitietokoneen avulla pystyimme tutkimaan 32 elektronia. Jännittävintä on kuitenkin se, että tämä on vasta alkua. Kvanttilaitteisto kehittyy nopeasti, ja tulevaisuus on kvantti,” toteaa artikkelin toinen kirjoittaja Igor Rončević.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiprosessorilla toteutettu aineen eksoottinen faasi

Kvanttisimulaattori auttaa löytämään materiaaleja

Kvanttimikroprosessori simuloi kvanttikemiaa