Para construir opciones de energía sostenible más baratas y eficientes, necesitamos saber mucho más de lo que sabemos sobre las reacciones químicas que convierten la energía solar en electricidad. Una de las mejores formas de hacerlo es mediante modelos informáticos que simulan interacciones moleculares complejas. Aunque las computadoras clásicas han cumplido bien este propósito durante las últimas décadas, explicamos en un nuevo estudio de investigación las cualidades especiales de la computación cuántica que ayudarán a los investigadores a avanzar en tecnologías para la conversión de energía solar, la fotosíntesis artificial y la energía fotovoltaica a un nivel completamente nuevo.

Nuestro estudio, "Simulación de golpes cuánticos en pares radicales en una computadora cuántica ruidosa, "detalla cómo los científicos de IBM Research y la Universidad de Notre Dame, con la ayuda de estudiantes de la Universidad de Georgetown, Universidad DePaul, Illinois Institute of Technology y Occidental College en Los Ángeles:utilizaron una computadora IBM Quantum basada en la nube para simular cómo el resultado de una reacción química se controla mediante la evolución temporal del estado entrelazado de los dos reactivos. y cómo este fenómeno de la química del espín se ve afectado por la pérdida gradual de magnetización y desfase provocada por las fluctuaciones térmicas.

La química del espín es un subcampo de la química que se ocupa de los efectos del espín magnético en las reacciones químicas. Conecta fenómenos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento con parámetros químicos tangibles como el rendimiento de la reacción (la cantidad de lo que produce una reacción química). Con una computadora cuántica, La química de espín nos permite simular directamente algunos procesos químicos dinámicos, básicamente la cinética de las reacciones químicas. Los efectos de giro en pares de radicales juegan un papel importante en los procesos que subyacen a la conversión de energía solar.

Los investigadores de Notre Dame habían utilizado durante años computadoras clásicas para estudiar la química de espín. Simulaciones creadas con esas computadoras, sin embargo, requirió la introducción de ruido artificial para tratar de imitar de manera realista las reacciones químicas. En 2018, los investigadores aprovecharon la oportunidad de crear simulaciones de química de espín más detalladas utilizando las computadoras cuánticas de 5 qubits de IBM disponibles al público. Y para abril de 2019, Notre Dame se había unido a IBM Q Network, que les ofreció acceso a los sistemas informáticos IBM Quantum y la experiencia que buscaban para llevar a cabo sus experimentos de química de espín.

Trabajando juntos, Nuestro equipo de científicos utilizó una computadora cuántica para simular cómo los efectos de espín controlan el rendimiento de la reacción. En este caso, dos posibles productos de reacción eran moléculas en dos tipos diferentes de estados excitados:singlete (con espín 0) o triplete (con espín 1), cada uno contiene diferentes cantidades de energía. En el sistema que estudiamos, datos experimentales publicados por V.A. El grupo de Bagryansky, del V.V. Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion:se expresa en fluorescencia o fosforescencia, lo que nos ayuda a comprender mejor cómo funciona una reacción a nivel molecular. En este sistema, La pérdida de señal de las moléculas se midió mediante fluorescencia.

La pérdida de magnetización de las moléculas debido a la relajación del espín de los electrones era análoga a la pérdida de la capacidad de la cinta magnética para almacenar información debido al calor excesivo. Medios magnéticos, reemplazados en gran parte por flash, pero todavía se utiliza para el almacenamiento de archivos, está hecho de islas de material magnético. Por mucho tiempo, Los fabricantes de medios magnéticos tenían problemas con sus equipos funcionando a temperatura ambiente o más calientes porque el calor debilitaba las señales magnéticas con el tiempo. La relajación rápida del espín de electrones también puede disminuir la eficiencia del transporte de espín en aplicaciones de conversión de energía solar.

El éxito de nuestro experimento fue una vía de doble sentido, lo que nos permite estudiar el comportamiento de la computadora cuántica, así como la química de espín. A diferencia de la mayoría de los experimentos en computadoras cuánticas, que buscan aprovechar el increíble potencial de la tecnología aprovechando la corta vida útil de los qubits, medibles en microsegundos, buscamos ralentizar los cálculos enviados a nuestros circuitos de dos qubits. Eso nos permitió ver en detalle lo que estaban haciendo las puertas y los qubits durante muchos segundos e incluso minutos.

Normalmente en computación cuántica, alguien envía un programa, corre, se hacen las medidas, y el programa se detiene. En lugar de, usamos OpenPulse, un lenguaje de programación dentro del marco de computación cuántica de código abierto Qiskit, para especificar el control de nivel de pulso en el dispositivo cuántico. Ralentizamos los cálculos para poder ver los procesos de ruido de la computadora cuántica. El ruido es una propiedad natural de los qubits, pero limita el número de cálculos que pueden realizar e introduce errores en los resultados finales. A medida que continuamos nuestro trabajo en esta área, Podremos contribuir al conocimiento de aquellos que estudian cómo mitigar ese ruido y crear computadoras cuánticas más robustas y menos propensas a errores en el futuro.

Nuestra investigación sirve como un nuevo caso de uso para la computación cuántica. Mostramos ese ruido qubit, típicamente un impedimento para el uso de la computadora cuántica, en realidad, puede ser una ventaja sobre una computadora clásica para simulaciones químicas.

Mirando hacia el futuro, esperamos que OpenPulse se convierta más en una herramienta para diseñar ruido y cambiar señales cuánticas. El mayor control que puede ofrecer OpenPulse, Los mejores experimentos del futuro pueden simular (y utilizar) el ruido para comprender mejor fenómenos químicos complejos como la fotosíntesis artificial y la conversión de energía solar.