Per costruire opzioni energetiche sostenibili più economiche ed efficienti, abbiamo bisogno di sapere molto di più di quanto sappiamo attualmente sulle reazioni chimiche che convertono l'energia solare in elettricità. Uno dei modi migliori per farlo è attraverso modelli al computer che simulano complesse interazioni molecolari. Sebbene i computer classici siano serviti bene a questo scopo negli ultimi decenni, spieghiamo in un nuovo studio di ricerca le qualità speciali dell'informatica quantistica che aiuteranno i ricercatori a far progredire le tecnologie per la conversione dell'energia solare, fotosintesi artificiale e fotovoltaico a un livello completamente nuovo.

Il nostro studio, "Simulazione di battiti quantistici in coppie radicali su un computer quantistico rumoroso, " spiega come gli scienziati di IBM Research e dell'Università di Notre Dame, con l'aiuto degli studenti della Georgetown University, Università De Paul, L'Illinois Institute of Technology e l'Occidental College di Los Angeles hanno utilizzato un computer IBM Quantum basato su cloud per simulare il modo in cui l'esito di una reazione chimica è controllato dall'evoluzione temporale dello stato di entanglement dei due reagenti, e come questo fenomeno della chimica di spin sia influenzato dalla graduale perdita di magnetizzazione e sfasamento causata dalle fluttuazioni termiche.

La chimica dello spin è un sottocampo della chimica che si occupa degli effetti dello spin magnetico nelle reazioni chimiche. Collega i fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement a parametri chimici tangibili come la resa della reazione (la quantità di qualunque cosa produca una reazione chimica). Con un computer quantistico, la chimica di spin ci permette di simulare direttamente alcuni processi chimici dinamici, sostanzialmente la cinetica delle reazioni chimiche. Gli effetti di spin nelle coppie radicali giocano un ruolo importante nei processi alla base della conversione dell'energia solare.

I ricercatori di Notre Dame hanno usato per anni computer classici per studiare la chimica dello spin. Simulazioni create utilizzando quei computer, però, richiedeva l'introduzione del rumore artificiale per cercare di imitare realisticamente le reazioni chimiche. Nel 2018, i ricercatori hanno colto al volo l'opportunità di creare simulazioni di chimica dello spin più dettagliate utilizzando i computer quantistici a 5 qubit di IBM pubblicamente disponibili. E entro aprile 2019, Notre Dame si era unita all'IBM Q Network, che offriva loro l'accesso ai sistemi informatici IBM Quantum e le competenze che cercavano per eseguire i loro esperimenti di chimica dello spin.

Lavorare insieme, il nostro team di scienziati ha utilizzato un computer quantistico per simulare il modo in cui gli effetti di spin controllano la resa della reazione. In questo caso, due possibili prodotti di reazione erano molecole in due diversi tipi di stati eccitati:singoletto (con spin 0) o tripletta (con spin 1), con ciascuno contenente diverse quantità di energia. Nel sistema che abbiamo studiato, dati sperimentali pubblicati da V.A. Il gruppo di Bagryansky, del V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion—è espresso in fluorescenza o fosforescenza, che ci aiuta a capire meglio come funziona una reazione a livello molecolare. In questo sistema, la perdita di segnale delle molecole è stata misurata mediante fluorescenza.

La perdita di magnetizzazione delle molecole dovuta al rilassamento dello spin degli elettroni era analoga alla perdita della capacità del nastro magnetico di memorizzare informazioni a causa del calore eccessivo. Supporti magnetici, in gran parte sostituiti da flash, ma ancora utilizzato per l'archiviazione, è costituito da isole di materiale magnetico. Per molto tempo, i produttori di supporti magnetici hanno avuto difficoltà a far funzionare le loro apparecchiature a temperatura ambiente o più calde perché il calore ha indebolito i segnali magnetici nel tempo. Allo stesso modo, il rilassamento rapido dello spin degli elettroni può ridurre l'efficienza del trasporto dello spin nelle applicazioni di conversione dell'energia solare.

Il successo del nostro esperimento è stato una strada a doppio senso, permettendoci di studiare il comportamento dei computer quantistici e la chimica dello spin. A differenza della maggior parte degli esperimenti sui computer quantistici, che cercano di sfruttare l'incredibile potenziale della tecnologia sfruttando la breve durata dei qubit, misurabile in microsecondi, abbiamo cercato di rallentare i calcoli inviati ai nostri circuiti a due qubit. Ciò ci ha permesso di esaminare in dettaglio cosa stavano facendo i gate e i qubit per molti secondi e persino minuti.

Normalmente nell'informatica quantistica, qualcuno invia un programma, corre, si effettuano misurazioni, e il programma si ferma. Anziché, abbiamo usato OpenPulse, un linguaggio di programmazione all'interno del framework di calcolo quantistico open source Qiskit, per specificare il controllo a livello di impulso sul dispositivo quantistico. Abbiamo rallentato i calcoli in modo da poter vedere i processi di rumore del computer quantistico. Il rumore è una proprietà naturale dei qubit, ma limita il numero di calcoli che possono eseguire e introduce errori nei risultati finali. Mentre continuiamo il nostro lavoro in questo settore, saremo in grado di contribuire alla conoscenza di coloro che studiano come mitigare tale rumore e creare in futuro computer quantistici più robusti e meno soggetti a errori.

La nostra ricerca funge da nuovo caso d'uso per l'informatica quantistica. Abbiamo mostrato quel rumore qubit, tipicamente un impedimento all'uso del computer quantistico, può effettivamente essere un vantaggio rispetto a un computer classico per le simulazioni chimiche.

Guardando avanti, speriamo che OpenPulse diventi più uno strumento per ingegnerizzare il rumore e modificare i segnali quantistici. Il maggiore controllo che OpenPulse può offrire, i migliori esperimenti futuri possono simulare e utilizzare il rumore per comprendere meglio fenomeni chimici complessi come la fotosintesi artificiale e la conversione dell'energia solare.