杜伦——杜克大学的研究人员已经实现了一种基于量子的方法来观察吸收光的分子与入射光子相互作用的量子效应。这种效应被称为锥形交叉，它限制了分子在不同构型之间改变的路径。
这种观察方法利用量子模拟器，从量子计算研究中发展而来，解决了一个长期存在的、对光合作用、视觉和光催化等过程至关重要的化学基本问题。这也是量子计算的进步如何被用于研究基础科学的一个例子。
研究结果发表在8月28日的《自然化学》杂志网络版上。
杜克大学迈克尔·j·菲茨帕特里克杰出工程教授肯尼斯·布朗(Kenneth Brown)说:“一旦量子化学家遇到这些锥形交叉现象，数学理论就会说，存在某些分子排列，无法从一个到另一个。”这种约束被称为几何相位，并非不可能测量，但没有人能够做到这一点。使用量子模拟器为我们提供了一种观察其自然量子存在的方法。”
在三维图形空间中两个顶点相接的圆锥体的线描图圆锥体相交的图形表示。每个圆锥体上的每个点代表了一个分子可以存在的构型和能量空间。
圆锥形交点的图形表示。每个圆锥体上的每个点代表了一个分子可以存在的构型和能量空间。图片来自杜克大学普拉特工程学院
锥形交叉点可以被想象成一座山峰与其上方反射的尖端接触，并控制着电子在能量状态之间的运动。圆锥形交点的下半部分表示处于基态的非激发态分子的能量状态和物理位置。上半部分表示相同的分子，但它的电子被激发，吸收了来自入射光粒子的能量。
分子不能保持在最高状态——它的电子相对于它们的宿主原子是错位的。为了回到更有利的低能量状态，分子的原子开始重新排列以与电子相遇。两座山相交的点——圆锥形的交叉点——代表一个拐点。原子可以通过重新调整到原来的状态而无法到达另一边，在这个过程中向周围的分子中倾倒多余的能量，或者它们可以成功地进行转换。
然而，由于原子和电子的运动速度如此之快，它们表现出量子效应。分子并不是在任何给定的时间，在山上的任何地方，都是一种形状，而是同时具有多种形状。人们可以把所有这些可能的地点想象成包裹着一部分山地景观的毯子。
但由于系统中一个数学上的怪癖，这个怪癖来自于基础数学，被称为几何相位，某些分子转化不能发生。毯子不能把山完全包裹起来。
在布朗实验室工作的博士生雅各布·惠特罗说:“如果一个分子有两条不同的路径可以达到相同的最终形状，而这两条路径恰好围绕着一个锥形的交叉点，那么这个分子就不可能形成那种形状。”“这是一种很难获得直觉的效应，因为即使从量子力学的角度来看，几何相位也很奇怪。”
测量这种量子效应一直是一项挑战，因为它既短暂，在飞秒量级，又很小，在原子的尺度上。任何对系统的破坏都会阻碍测量。虽然研究和测量了许多较大的锥形相交现象的小块，但几何相位一直是研究人员所回避的。
“如果圆锥形相交存在——它们确实存在——那么几何相位必然存在，”布朗说，他也在杜克大学物理和化学系任职。“但是，说存在无法测量的东西是什么意思?”
在论文中，Whitlow和同事使用了由杜克大学Schiciano家族杰出电气和计算机工程教授Jungsang Kim的小组建造的五离子量子计算机。量子计算机使用激光在真空中操纵带电原子，提供高水平的控制。惠特洛和布朗实验室的博士生贾竹冰(音译)也通过开发物理上推动电磁阱内漂浮离子的方法，扩大了该系统的能力。
基于离子的运动方式和它们所处的量子态，它们可以从根本上表现出与原子在圆锥形交叉点周围运动完全相同的量子机制。由于被捕获离子的量子动力学比分子的量子动力学慢10亿倍，研究人员能够直接测量起作用的几何相位。
结果看起来有点像一个二维的新月。如锥形相交图所示，即使没有能量障壁，锥一侧的某些构型也无法到达锥的另一侧。布朗说，这个实验是一个很好的例子，说明即使是今天最基本的量子计算机也可以模拟并揭示复杂量子系统的内部量子工作原理。
布朗说:“捕获离子的美妙之处在于，它们摆脱了复杂的环境，使系统足够清洁，可以进行这些测量。”
澳大利亚悉尼大学的一项独立实验也使用离子阱量子模拟器观察了几何相位的影响。这种方法在许多技术细节上有所不同，但总体观察结果是一致的。悉尼的研究成果将发表在同一期的《自然化学》杂志上。
这项工作得到了情报高级研究项目活动(W911NF-16-1-0082)、国家科学基金会(Phy-1818914, OMA-2120757)、能源部高级科学计算研究QSCOUT计划办公室(DE-0019449)和陆军研究办公室(W911NF-18-1-0218)的支持。
引用本文:“用捕获离子模拟锥形交叉”，Jacob Whitlow, Jia Zhubing, Wang Ye, Chao Fang, Jungsang Kim, Kenneth R. Brown。《自然化学》2023年8月28日。DOI: 10.1038 / s41557 - 023 - 01303 - 0
