分子が光を吸収すると、量子力学的な変化の渦が発生する。電子はエネルギーレベル間を移動し、原子は振動し、化学結合が変化する-これらすべてが10億分の100万分の1秒以内に起こる。
これらのプロセスは、植物の光合成や日光によるDNA損傷から、太陽電池や光を利用したがん治療の動作に至るまで、あらゆるものの基礎となっている。
しかし、その重要性にもかかわらず、光によって駆動される化学プロセスを正確にシミュレーションすることは困難だ。従来のコンピュータは苦戦しているが、これは量子的挙動をシミュレーションするには膨大な計算能力が必要だからである。
一方、量子コンピュータはそれ自体が量子システムであるため、量子的挙動は自然に発生する。これにより、量子コンピュータは化学をシミュレーションするための自然な候補となる。
これまで、量子デバイスは分子のエネルギーなど、変化しないものを計算することしかできなかった。今週『Journal of the American Chemical Society』に発表された我々の研究は、それらの分子が時間の経過とともにどのように変化するかもモデル化できることを示している。
我々は、光を吸収した後の特定の実際の分子の挙動を実験的にシミュレーションしたのだ。
単一イオンで現実をシミュレーションする
我々は、イオントラップ型量子コンピュータと呼ばれるものを使用した。これは、電磁場で固定された真空チャンバー内の個々の原子を操作することで機能する。
通常、量子コンピュータは量子ビット（キュービット）を使用して情報を保存する。しかし、分子の挙動をシミュレーションするために、我々はコンピュータ内の原子の振動である「ボソニックモード」も使用した。
この技術は混合量子ボソンシミュレーションと呼ばれる。分子をシミュレーションするのに必要な量子コンピュータの規模を劇的に小さくすることができる。
我々は、光を吸収する3つの分子：アレン、ブタトリエン、ピラジンの挙動をシミュレーションした。各分子は光を吸収した後に複雑な電子的および振動的相互作用を示し、理想的なテストケースとなる。
我々のシミュレーションでは、量子コンピュータ内のレーザーと単一の原子を使用し、これらのプロセスを1000億倍遅くした。実世界では、相互作用はフェムト秒で起こるが、我々のシミュレーションではミリ秒で再生され、何が起こったかを見るのに十分な遅さだった。
100万倍効率的
我々の実験が特に重要なのは、使用した量子コンピュータのサイズである。
同じシミュレーションを従来の量子コンピュータ（ボソニックモードを使用せず）で実行するには、11量子ビットと約300,000の「エンタングリング」操作をエラーなく実行する必要がある。これは現在の技術の範囲を超えている。
対照的に、我々のアプローチは単一のトラップされたイオンに単一のレーザーパルスを照射することでタスクを達成した。我々の方法は標準的な量子アプローチよりも少なくとも100万倍リソース効率が高いと推定している。
また、分子が環境と相互作用する「オープンシステム」ダイナミクスもシミュレーションした。これは通常、古典的なコンピュータにとってはるかに難しい問題である。
イオンの環境に制御されたノイズを注入することで、実際の分子がどのようにエネルギーを失うかを再現した。これにより、環境の複雑さも量子シミュレーションによって捉えられることが示された。
次は何か？
この研究は量子化学にとって重要な一歩である。現在の量子コンピュータはまだ規模が限られているが、我々の方法は、小規模でよく設計された実験でも、実際の科学的関心のある問題に取り組むことができることを示している。
原子と分子の実世界の挙動をシミュレーションすることは、量子化学の重要な目標である。これにより、異なる材料の特性を理解しやすくなり、医学、材料、エネルギーの分野での画期的な進展を加速する可能性がある。
私たちは、量子シミュレーションの規模を20あるいは30イオン程度まで適度に拡大すれば、従来のスーパーコンピューターでは不可能なほど複雑な化学系に取り組むことができると考えている。そうなれば、医薬品開発、クリーンエネルギー、そして生命そのものを駆動する化学プロセスの基本的な理解において、急速な進歩への扉が開かれることになるだろう。
