Para construir opções de energia sustentável mais baratas e eficientes, precisamos saber muito mais do que sabemos atualmente sobre as reações químicas que convertem a energia solar em eletricidade. Uma das melhores maneiras de fazer isso é por meio de modelos de computador que simulam interações moleculares complexas. Embora os computadores clássicos tenham servido bem a esse propósito nas últimas décadas, explicamos em um novo estudo de pesquisa as qualidades especiais da computação quântica que ajudarão os pesquisadores a desenvolver tecnologias para conversão de energia solar, fotossíntese artificial e fotovoltaica a um nível totalmente novo.

Nosso estudo, "Simulação de batidas quânticas em pares radicais em um computador quântico barulhento, "detalha como os cientistas da IBM Research e da University of Notre Dame - com a ajuda de alunos da Georgetown University, Universidade DePaul, Illinois Institute of Technology e Occidental College em Los Angeles - usaram um computador IBM Quantum baseado em nuvem para simular como o resultado de uma reação química é controlado pela evolução do tempo do estado emaranhado dos dois reagentes, e como esse fenômeno da química do spin é afetado pela perda gradual de magnetização e defasagem causada por flutuações térmicas.

A química do spin é um subcampo da química que lida com os efeitos do spin magnético em reações químicas. Ele conecta fenômenos quânticos, como superposição e emaranhamento, a parâmetros químicos tangíveis, como rendimento da reação (a quantidade de tudo o que uma reação química produz). Com um computador quântico, a química do spin nos permite simular diretamente alguns processos químicos dinâmicos, basicamente a cinética das reações químicas. Os efeitos de spin em pares radicais desempenham um papel importante nos processos subjacentes à conversão de energia solar.

Por anos, os pesquisadores da Notre Dame usaram computadores clássicos para estudar a química do spin. Simulações criadas usando esses computadores, Contudo, exigiu a introdução de ruído artificial para tentar imitar realisticamente as reações químicas. Em 2018, os pesquisadores aproveitaram a chance de criar simulações mais detalhadas de química de spin usando os computadores quânticos de 5 qubit da IBM, disponíveis publicamente. E em abril de 2019, Notre Dame ingressou na IBM Q Network, que lhes ofereceu acesso aos sistemas de computação IBM Quantum e ao conhecimento que eles procuraram para realizar seus experimentos de química de spin.

Trabalhando juntos, nossa equipe de cientistas usou um computador quântico para simular como os efeitos de spin controlam o rendimento da reação. Nesse caso, dois produtos de reação possíveis eram moléculas em dois tipos diferentes de estados excitados - singleto (com spin 0) ou tripleto (com spin 1), com cada um contendo diferentes quantidades de energia. No sistema que estudamos, dados experimentais publicados por V.A. O grupo de Bagryansky - do V.V. Instituto Voevodsky de Cinética Química e Combustão - é expresso em fluorescência ou fosforescência, o que nos ajuda a entender melhor como uma reação funciona em nível molecular. Neste sistema, a perda de sinal das moléculas foi medida por fluorescência.

A perda de magnetização das moléculas devido ao relaxamento do spin do elétron era análoga à perda de capacidade da fita magnética de armazenar informações devido ao calor excessivo. Mídia magnética - amplamente substituída por flash, mas ainda usado para armazenamento de arquivo - é feito de ilhas de material magnético. Por muito tempo, Os fabricantes de mídia magnética lutaram para que seus equipamentos funcionassem em temperatura ambiente ou mais quente porque o calor enfraquecia os sinais magnéticos com o tempo. O relaxamento rápido do spin do elétron também pode diminuir a eficiência do transporte do spin em aplicações de conversão de energia solar.

O sucesso de nosso experimento foi uma via de mão dupla, permitindo-nos estudar o comportamento do computador quântico, bem como a química do spin. Ao contrário da maioria dos experimentos em computadores quânticos, que procuram alavancar o incrível potencial da tecnologia, aproveitando a curta vida dos qubits - mensuráveis ​​em microssegundos - procuramos desacelerar os cálculos enviados aos nossos circuitos de dois qubits. Isso nos permitiu ver em detalhes o que os gates e qubits estavam fazendo ao longo de muitos segundos e até minutos.

Normalmente em computação quântica, alguém envia um programa, corre, medições são feitas, e o programa pára. Em vez de, usamos OpenPulse, uma linguagem de programação dentro da estrutura de computação quântica de código aberto Qiskit, para especificar o controle de nível de pulso no dispositivo quântico. Retardamos os cálculos para que pudéssemos ver os processos de ruído do computador quântico. O ruído é uma propriedade natural dos qubits, mas limita o número de cálculos que eles podem realizar e introduz erros nos resultados finais. À medida que continuamos nosso trabalho nesta área, poderemos contribuir para o conhecimento de quem está estudando como mitigar esse ruído e criar computadores quânticos mais robustos e menos sujeitos a erros no futuro.

Nossa pesquisa serve como um novo caso de uso para a computação quântica. Mostramos aquele ruído qubit, normalmente um impedimento para o uso do computador quântico, pode realmente ser uma vantagem sobre um computador clássico para simulações químicas.

Olhando para a frente, Esperamos que o OpenPulse se torne mais uma ferramenta para projetar ruídos e alterar sinais quânticos. O maior controle que o OpenPulse pode oferecer, os melhores experimentos futuros podem simular - e usar - ruído para entender melhor fenômenos químicos complexos, como fotossíntese artificial e conversão de energia solar.