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量子コンピュータは、従来の古典コンピュータでは時間がかかりすぎて事実上不可能な計算を瞬時に行うことが出来る異次元の計算能力を備える事が期待されており、世界中の研究機関・テクノロジー企業がしのぎを削って開発を進めているが実用化にはまだまだ何十年もかかると考えられている。

だが今回、研究者らはその量子コンピュータの桁違いの性能の一端を垣間見ることに成功した。世界で初めて、シミュレーション上ではあるが、量子コンピュータを用いることで化学反応を約1,000億分の1のスピードまでスローダウンして再現し、観察することに成功したのだ。

超スローモーション

原子や分子の超ミクロな世界を研究するのは、非常に厄介である。すべてが非常に小さいからというだけでなく、その反応が私たちの目で認識できるよりもはるかに速く起こるからだ。例えば、化学結合はフェムト秒、つまり1兆分の1秒レベルという超々高速で形成されたり切断されたりする。そのため、いくつかの重要なプロセスで何が起こっているのかを正確に理解することは難しかった。

シドニー大学の研究者たちは、この新しい研究のために、量子コンピューターを使って、このような超高速プロセスのひとつをスローダウンさせる事に成功した。化学で一般的な幾何学的構造である「円錐交差点」による単一原子の干渉パターンを観測した。これらは、人間の視覚における光の収穫や光合成など、急速な光化学プロセスにおいて重要な役割を果たしている。化学者たちは、1950年代から化学動力学における幾何学的過程の観測を試みてきたが、急速なタイムスケールのため、直接観測することは不可能であった。

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実験に使用された研究所内の量子コンピューターの前で、Vanessa Olaya Agudelo氏とChristophe Valahu博士 (Credit: Stefanie Zingsheim)

シドニー大学物理学部と化学学部の量子研究者チームは、捕捉イオン量子コンピューターを用いて、複雑な問題を解決する新しいアプローチを開発した。この革新的な方法によって、比較的小さな量子デバイス上に問題を効果的にマッピングし、そのプロセスを1,000億分の1に減速させることができたのだ。

「自然界では、すべてのプロセスはフェムト秒以内に終わります。量子コンピューターを使って、化学的ダイナミクスをフェムト秒からミリ秒に減速させるシステムを構築しました。これにより、意味のある観察と測定が可能になりました。これは今までになかったことです」と、共同主任研究者で博士課程の学生であるVanessa Olaya Agudelo氏は説明する。

物理学部の共同主執筆者であるChristophe Valahu博士は、今回の成果の意義をこう説明する。「これまで、『幾何学的位相』のダイナミクスを直接観察することはできませんでした。量子技術を使うことで、この問題を解決することができました。我々の実験は、プロセスのデジタル近似ではなく、我々が観察できる速度で展開する量子ダイナミクスの直接アナログ観察でした。植物が太陽からエネルギーを得る光合成のような光化学反応では、分子は急速にエネルギーを移動させ、コニカル・インターセクションという交換領域を作ります。今回の研究では、量子コンピューターのダイナミクスを減速させることで、光化学反応における円錐交差点に関連する特徴的な兆候を明らかにしたのです。」

「このエキサイティングな結果は、分子がどのように最速のタイムスケールで変化するのか、超高速ダイナミクスをより深く理解するのに役立ちます。シドニー大学で、このような実験を行うために国内最高のプログラム可能な量子コンピュータを利用できることは、非常に素晴らしいことです」と、共著者で研究チームリーダーであるシドニー大学ナノ研究所のIvan Kassal准教授は説明する。

この実験は、Michael Biercuk教授が創設したQuantum Control Laboratoryの量子コンピュータを使って行われ、Ting Rei Tan博士がこの取り組みを指揮した。「これは化学理論家と実験量子物理学者との素晴らしい共同研究です。私たちは物理学の新しいアプローチを使って、化学の長年の問題に取り組んでいるのです」と、この研究の共著者であるTan博士は付け加えた。

化学反応のシミュレーションと言うと、現実の現象と乖離しているように聞こえるかもしれないが、研究チームは、航空機の気流力学を観察するための風洞と同じように、制御された環境での実験に近いと言う。

今回の実験のように量子コンピュータを使うことで、科学者たちは目まぐるしく変化する分子間相互作用の世界をより深く理解することができるようになるだろう。

「分子内部や分子間のこのような基本的なプロセスを理解することで、材料科学、薬物設計、太陽エネルギーハーベスティングにおいて、新たな可能性の世界を切り開くことができるのです。また、スモッグの発生やオゾン層の損傷など、光と相互作用する分子に依存する他のプロセスの改善にも役立つ可能性があります」と、Agudelo氏は説明する。


論文

参考文献

研究の要旨

円錐状の交点は、化学や物理学の世界ではどこにでも存在し、しばしば光捕集、視覚、光触媒、化学反応性などのプロセスを支配している。円錐交差は分子の電子状態間の漏斗として機能し、化学動力学において迅速かつ効率的な緩和を可能にする。さらに、反応経路が円錐状の交差点を囲むとき、分子波動関数は幾何学的な位相を経験し、量子力学的な干渉を通して反応の結果に影響を与えることができる。これまでの実験では、散乱パターンや分光学的観測値から幾何学的位相の間接的なサインを測定してきたが、その根底にある波束干渉を直接観測することはできなかった。ここでは、プログラム可能な捕捉イオン量子シミュレータにおいて、円錐状の交差点を回る波束のダイナミクスにおける幾何学的位相干渉を実験的に観測する。そのために、捕捉されたイオンの2次元波束密度を再構成する手法を開発した。実験結果は理論モデルと一致し、捕捉イオンを用いたようなアナログ量子シミュレータが核量子効果を正確に記述できることを実証した。

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