Útroby kvantového simulátoru. Kredit: University of Sydney.

Kvantové počítače mohou mít roztodivnou podobu. Experimentální kvantoví fyzici nedávno postavili skutečně minimalistické kvantové zařízení, v němž se o kvantové efekty stará jediný atom. Je to úžasně efektivní přístup, v němž jediný atom může kódovat informaci, k jejímuž zpracování je obvykle nutný asi tak tucet klasických qubitů.

Ting Rei Tan z australské University of Sydney a jeho spolupracovníci vytvořili kvantový simulátor, jehož základem je jediný iont ytterbia, polapený ve vakuu s využitím pulzujících elektrických polí. Ač je to k neuvěření, s tímto jediným atomem simulovali chování tří různých organických molekul, propadienu, butatrienu a pyrazinu, po zásahu fotonem.

Ting Rei Tan. Kredit: University of Sydney.

Taková srážka spustí kaskádu událostí v molekule, rozvibruje atomy a nakopne elektrony do excitovaných stavů. Detailní pochopení těchto událostí by významně pomohlo s navrhováním molekul vhodných pro konkrétní aplikace, například v solárních panelech nebo třeba v kosmetice.

Logo. Kredit: University of Sydney.

Tanův tým sledoval chování atomu ytterbia při různých vibracích nebo stimulacích laserovým paprskem. Vycházeli z toho, že excitace elektronů simulovaných molekul do jisté míry odpovídá excitacím elektronů atomu ytterbia. V průběhu experimentu odečítali simulované stavy a porovnali je s tím, co o zmíněných třech molekulách víme díky běžným počítačovým simulacím. Tyto organické molekuly patří k docela jednoduchým, takže je zvládnutelné je tradičně simulovat.

Se složitějšími molekulami je to tvrdý oříšek. V tomto směru by měl chemikům pomoct kvantový simulátor s atomem ytterbia. Ve skutečnosti jsou právě takové simulace jedním z nejvíce slibných typů využití kvantových počítačů, o nichž dnes víme. Až donedávna to vypadalo, že na použitelné simulace budeme potřebovat miliony qubitů. Teď se zdá, že by to šlo s pár tucty iontů.

Video: Ting Rei Tan: “Analog Quantum Simulation of Non-adiabatic Chemical Dynamics”

Literatura

Nature 16. 5. 2025.

Journal of the American Chemical Society online 14. 5. 2025.