Nature Chemistry| 科学家减慢化学反应速率百亿倍，首次观察反应全过程

科学家减慢化学反应速率百亿倍,首次观察反应全过程量子计算机模拟成功,首次“慢动作”捕捉化学反应关键瞬间

近日,澳大利亚悉尼大学和加州大学圣地亚哥分校的科学家团队利用量子计算机成功减慢了一个常见的化学反应速率百亿倍,直接观测到了整个反应过程。这种被称为“圆锥交叉”的反应过去一直难以被直接观测,因为反应只持续数飞秒就结束。研究团队使用电场困住一个带电粒子来模拟反应过程,将反应速率从飞秒级减慢到了毫秒级,首次实现了“慢动作回放”。

这相当于在风洞里观测飞机机翼的空气动力学。

据悉,这种直接模拟量子动力学的实验方式在观测化学反应上将大有用处。圆锥交叉描述的是分子内两个势能面之间的快速能量转移,需要用量子语言描述。这种反应调控着光化学反应,如光合作用和人眼中的光反应。

原子模拟快照。(悉尼大学）

研究团队成功将一个电子状态的变化映射到受困离子量子计算机的特定体系上实现了模拟。之后他们再放慢反应速率进行观测。这为理解和应用各种光化学反应奠定了基础,将推动材料科学、药物设计等领域的发展。

文献：

https://www.nature.com/articles/s41557-023-01300-3

锥形交叉点在化学和物理学中无处不在，通常用于控制光采集、视觉、光催化和化学反应等过程。它们就像分子电子态之间的漏斗，允许在化学动力学过程中快速有效地弛豫。此外，当反应路径环绕锥形交叉点时，分子波函数会经历一个几何相位，这会通过量子力学干扰影响反应结果。过去的实验已经在散射模式和光谱观测指标中测量到了几何相位的间接特征，但还没有直接观测到潜在的波包干涉。在这里，我们在可编程困离子量子模拟器中，通过实验观测到了围绕工程锥形交点运动的波包动态中的几何相位干涉。为此，我们开发了一种重建被困离子二维波包密度的技术。实验结果与理论模型相吻合，证明了模拟量子模拟器（如使用被困离子实现的模拟器）准确描述核量子效应的能力。

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