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Aug 22, 2023

Un ordinateur quantique dévoile la dynamique atomique de la lumière

28 août 2023 | Par Ken Kingery Un ordinateur quantique a ralenti les effets quantiques moléculaires simulés un milliard de fois, permettant aux chercheurs de les mesurer directement pour la première fois DURHAM, NC –

28 août 2023 | Par Ken Kingery

Un ordinateur quantique a ralenti les effets quantiques moléculaires simulés d'un milliard de fois, permettant aux chercheurs de les mesurer directement pour la première fois

DURHAM, Caroline du Nord – Des chercheurs de l'Université Duke ont mis en œuvre une méthode quantique pour observer un effet quantique dans la manière dont les molécules absorbant la lumière interagissent avec les photons entrants. Connu sous le nom d’intersection conique, cet effet limite les chemins que les molécules peuvent emprunter pour changer entre différentes configurations.

La méthode d’observation utilise un simulateur quantique, développé à partir de recherches en informatique quantique, et aborde une question fondamentale de longue date en chimie, essentielle aux processus tels que la photosynthèse, la vision et la photocatalyse. C’est également un exemple de la manière dont les progrès de l’informatique quantique sont utilisés pour étudier la science fondamentale.

Les résultats paraissent en ligne le 28 août dans la revue Nature Chemistry.

"Dès que les chimistes quantiques ont découvert ces phénomènes d'intersection conique, la théorie mathématique a déclaré qu'il existait certains arrangements moléculaires qui ne pouvaient pas être atteints de l'un à l'autre", a déclaré Kenneth Brown, professeur émérite d'ingénierie Michael J. Fitzpatrick à Duke. . « Cette contrainte, appelée phase géométrique, n'est pas impossible à mesurer, mais personne n'a été capable de le faire. L’utilisation d’un simulateur quantique nous a permis de le voir dans son existence quantique naturelle.

Les intersections coniques peuvent être visualisées comme un sommet de montagne touchant la pointe de sa réflexion venant d'en haut et régissent le mouvement des électrons entre les états énergétiques. La moitié inférieure de l'intersection conique représente les états énergétiques et les emplacements physiques d'une molécule non excitée dans son état fondamental. La moitié supérieure représente la même molécule mais avec ses électrons excités, ayant absorbé l'énergie d'une particule lumineuse entrante.

La molécule ne peut pas rester dans son état supérieur : ses électrons sont mal positionnés par rapport à leurs atomes hôtes. Pour revenir à l'état d'énergie inférieur plus favorable, les atomes de la molécule commencent à se réorganiser pour rencontrer les électrons. Le point de rencontre des deux montagnes – l’intersection conique – représente un point d’inflexion. Les atomes peuvent soit ne pas parvenir à passer de l’autre côté en se réajustant à leur état d’origine, déversant ainsi l’excès d’énergie dans les molécules qui les entourent, soit réussir le changement.

Cependant, parce que les atomes et les électrons se déplacent si rapidement, ils présentent des effets quantiques. Plutôt que d’avoir une forme unique – à n’importe quel endroit de la montagne – à un moment donné, la molécule a en fait plusieurs formes à la fois. On pourrait imaginer tous ces emplacements possibles comme étant représentés par une couverture enroulée autour d’une partie du paysage montagneux.

Mais en raison d'une bizarrerie mathématique dans le système qui émerge des mathématiques sous-jacentes, appelée phase géométrique, certaines transformations moléculaires ne peuvent pas se produire. La couverture ne peut pas envelopper entièrement la montagne.

"Si une molécule doit emprunter deux chemins différents pour arriver à la même forme finale, et que ces chemins entourent une intersection conique, alors la molécule ne pourra pas prendre cette forme", a déclaré Jacob Whitlow, doctorant travaillant sur dans le laboratoire de Brown. "C'est un effet pour lequel il est difficile de se faire une idée, car la phase géométrique est étrange, même du point de vue de la mécanique quantique."

Mesurer cet effet quantique a toujours été un défi car il est à la fois de courte durée, de l’ordre de la femtoseconde, et petit, à l’échelle des atomes. Et toute perturbation du système empêchera sa mesure. Alors que de nombreux éléments plus petits du phénomène d’intersection conique plus vaste ont été étudiés et mesurés, la phase géométrique a toujours échappé aux chercheurs.

"Si des intersections coniques existent - ce qui est le cas - alors la phase géométrique doit exister", a déclaré Brown, qui occupe également des postes en physique et en chimie à Duke. "Mais que signifie dire que quelque chose existe que l'on ne peut pas mesurer ?"