L’informatique quantique offre de nouvelles perspectives sur les processus photochimiques
L’informatique quantique a apporté de nouvelles connaissances sur un aspect fondamental des réactions photochimiques qui s’avérait auparavant difficile à étudier. Les résultats pourraient améliorer la compréhension des scientifiques sur les processus induits par la lumière, tels que la photosynthèse, la formation du smog et la destruction de l’ozone.
Les processus photochimiques se produisent lorsque les noyaux atomiques et leurs électrons prennent des configurations différentes après avoir absorbé un photon. Certaines de ces réactions sont guidées par un phénomène quantique appelé intersection conique, où convergent les surfaces d’énergie potentielle qui décrivent une molécule dans son état fondamental et dans son état excité. Dans ces situations, les interférences de la mécanique quantique peuvent empêcher certaines transformations moléculaires – une contrainte connue sous le nom de phase géométrique. Cela limite le chemin que la réaction peut prendre et affecte le résultat de la réaction. La phase géométrique est connue depuis les années 1950, mais en raison des échelles de temps femtosecondes impliquées, elle n’a jamais été directement observée dans un système moléculaire.
Aujourd’hui, deux équipes de recherche travaillant indépendamment l’une de l’autre ont montré comment la phase géométrique peut être mesurée à l’aide de simulateurs quantiques.
« Cette phase est très difficile à observer dans les molécules réelles, car elle se produit loin de l’état fondamental et nécessite un état quantique propre avec peu d’interférences thermiques », explique Kenneth Brown, chercheur en systèmes quantiques de l’Université Duke en Caroline du Nord, aux États-Unis.
«Nous construisons un système quantique qui possède certaines des propriétés du système que nous souhaitons étudier», explique Brown. La conception de ce simulateur quantique a permis à l’équipe Duke de mesurer l’effet « à une échelle de temps beaucoup plus facile à lire », explique Brown.
Les chercheurs ont utilisé des lasers pour manipuler une chaîne de cinq ions ytterbium piégés d’une manière qui imite le comportement quantique des atomes à une intersection conique. Comme la dynamique quantique des ions piégés est beaucoup plus lente que celle d’une molécule, l’équipe a pu mesurer directement comment la phase géométrique affectait la distribution spatiale de la fonction d’onde d’un ion.
«Notre expérience est l’une des premières démonstrations de la manière dont nous pouvons réaliser un couplage vibrationnel électronique d’ions piégés», explique Brown. Il note que la compréhension de la phase géométrique pourrait offrir aux chimistes « un autre moyen de contrôler » les produits fabriqués lors de réactions multi-produits.
Les découvertes de l’équipe Duke ont été publiées parallèlement à des travaux similaires menés par des chercheurs de l’Université de Sydney, en Australie. Le groupe, dirigé par Ivan Kassal, a utilisé un simulateur quantique analogique basé sur un seul ion ytterbium piégé.
«L’une des choses les plus importantes ici est que nous avons pu observer, en temps réel, l’interférence de phase géométrique dans ce système qui se comporte aussi rapidement qu’un système moléculaire», explique Vanessa Agudelo, doctorante au laboratoire de Kassal qui travaillé sur le projet.
L’ordinateur quantique leur a permis de ralentir la dynamique chimique du système qu’ils étudiaient de quelques femtosecondes à quelques millisecondes, permettant ainsi des observations significatives.
«Ici, vous avez une véritable vidéo d’un seul atome se divisant en deux… interférant de manière destructrice lorsqu’il passe de l’autre côté de l’intersection conique», explique Kassal. « Il s’agit de simuler l’arrivée d’un photon et la façon dont la molécule interagit sur des échelles de temps femtosecondes. »
« C’est particulièrement important dans des domaines comme la chimie atmosphérique : pourquoi le smog se forme-t-il ? Comment se forme la couche d’ozone ? Ou comment est-il détruit ? il ajoute.
Même si l’approche technique adoptée par les deux équipes diffère, leurs conclusions sont cohérentes. Kassal note que les travaux soulignent comment l’informatique quantique peut aider à résoudre des problèmes chimiques complexes. «L’objectif de l’utilisation des ordinateurs quantiques pour la chimie est de pouvoir simuler n’importe quel type de processus chimique… comme la découverte de médicaments ou la découverte de meilleurs matériaux», dit-il.
