Специалистам не просто удалось синтезировать молекулу с невиданной ранее электронной структурой, но и подтвердить ее свойства на квантовом компьютере.
Международная команда ученых из IBM, Манчестерского и Оксфордского университетов, а также ETH Zurich синтезировала молекулу, не имеющую аналогов в истории химии. Электроны в ней движутся по спиралевидной траектории, совершая поворот на 90 градусов за каждый «круг» и возвращаясь в исходное состояние лишь после четырех полных оборотов. Такую электронную конфигурацию — она называется полу-мебиусова топология — никто прежде не синтезировал, не наблюдал и даже формально не предсказывал ее возможное существование.
Молекула с формулой C₁₃Cl₂ была собрана буквально атом за атомом в лаборатории IBM. Исходное вещество синтезировали в Оксфорде, а затем в условиях сверхвысокого вакуума и температуры, близкой к абсолютному нулю, из него точечными импульсами напряжения удаляли по одному атому, формируя нужную структуру. Полученную в результате молекулу изучили с помощью сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии — методов, которые были изобретены именно в IBM и принесли их создателям в 1986 году Нобелевскую премию.
Но понять, почему молекула ведет себя столь необычно, оказалось задачей не менее сложной, чем ее создать. Электроны внутри C₁₃Cl₂ взаимодействуют глубоко запутанным образом, и моделирование такого поведения на классическом компьютере упирается в экспоненциально растущие вычислительные затраты. Как пояснил один из авторов работы, научный сотрудник Манчестерского университета Игорь Рончевич, классические машины за десятилетие продвинулись от точного моделирования 16 электронов до 18, тогда как на квантовом компьютере IBM удалось проанализировать систему из 32 электронов. «Квантовые компьютеры естественно подходят для этой задачи, потому что их строительные блоки — кубиты — сами являются квантовыми объектами, отражающими поведение электронов», — отметил он.
Квантовое моделирование позволило обнаружить спиральные молекулярные орбитали и раскрыть механизм формирования необычной топологии. Более того, ученые показали, что электронную топологию молекулы можно переключать между тремя состояниями — закрученным по часовой стрелке, против часовой стрелки и незакрученным. Это означает, что топология электронов — это не просто свойство, которое обнаруживают в природе, а инструмент, которым можно целенаправленно управлять.
«Сначала мы спроектировали молекулу, затем построили ее, а потом подтвердили ее экзотические свойства с помощью квантового компьютера. Это шаг к мечте Ричарда Фейнмана — создать компьютер, способный наилучшим образом моделировать квантовую физику», — сказал вице-президент IBM Алессандро Куриони.
