Минулого тижня IBM з гордістю представила свій внесок у досить незвичайну статтю: створення молекули з напівмебіусівською топологією за допомогою алгоритму, частково виконаного на квантовому комп'ютері. М'яко кажучи, у цій статті було багато всього, і знадобився деякий час, щоб її осмислити. Але вона цікава тим, що говорить про типи хімії, які ми можемо створювати за допомогою інструментів, розроблених протягом останніх кількох десятиліть, а також про те, як квантові обчислення поступово наближаються до практичного застосування.
Але для повного розуміння потрібно три різні історії, тому ми розглянемо кожну з них окремо, перш ніж зібрати воєдино загальну картину.
Орбіталі з родзинкою
Ті з вас, хто ще пам'ятає уроки хімії із середньої школи, мабуть, пам'ятають бензол — шестивуглецеве кільце з одинарними й подвійними зв'язками, що чергуються, які утримують всі атоми вуглецю в одній площині, створюючи плоску молекулу. Менш імовірно, що пам'ятаєте, що подвійний зв'язок забезпечується орбіталями, які простягаються вертикально над і під ядрамі атомів вуглецю. Завдяки чергуванню одинарних та подвійних зв'язків, електрони у цих орбіталях ділокалізовані; відмінності між зв'язками стають дещо несуттєвими, і молекулу найкраще розглядати як частину електронів, що плавають у хмарі. Те саме справедливо і для більших молекул з аналогічною структурою зв'язків.
У бензолі орбіталі розташовані таким чином, що будь-які електрони, що циркулюють навколо молекули, зрештою повертаються туди, звідки почали. Приєднуючи інші атоми до кільця вуглецю, можна розташувати орбіталі під різними кутами до вертикалі. При правильному поєднанні додаткових орбіталей можна змінити структуру таким чином, що електрон починає рух зверху молекули (за умови, що кільце рівно лежить на поверхні), але закінчує знизу після повного обороту навколо кільця. Йому потрібно зробити другий оберт навколо кільця, щоб повернутися туди, звідки він почав рух.
Це має прямий аналог у побудові траєкторії вздовж поверхні стрічки Мебіуса, де також необхідно зробити два обороти, щоб повернутися у вихідну точку. Насправді в минулому було синтезовано деякі прості молекули Мебіуса.
Нове дослідження відрізняється тим, що в ньому використовується той факт, що існує набагато більше варіантів орбіталей та зв'язків, ніж ми бачимо у простих похідних бензолу. Велика міжнародна група (що включає як вчених, так і дослідників IBM) знайшла спосіб створити напівмебіусову конфігурацію, в якій орбіталі кільцеподібної молекули розташовані таким чином, що після одного обороту навколо молекули електрон виявляється не на вершині і не внизу молекули, а десь на периферії.
Йому потрібно зробити два обороти, щоб опинитися внизу, а потім ще два обороти, щоб повернутися до вихідної точки.
Це нестабільна конфігурація; якщо залишити її без нагляду, молекула швидко зникне в набагато більш звичайну конфігурацію. І очевидного застосування цього немає, навіть якщо припустити, що ми зможемо підтримувати її стабільність досить довго, щоб перевірити її застосовність. Але це цікаве вивчення нашої здатності маніпулювати орбітальними змінами на молекулярному рівні, і невідомо, як ця здатність зрештою може окупитися.
Як і квантові обчислення, це дивно та складно
Якби ви схотіли створити щось настільки незвичайне, не завжди очевидно, як це зробити. Якби зміна орбітальних змін було простою справою, хтось, мабуть, це вже зробив би. І, як відзначають автори статті, що описує цю роботу, існує безліч потенційних форм орбіталей, допустимих квантовою механікою, але точна конфігурація, що використовується в молекулі, може залежати від того, які з цих орбіталей зайняті і якою кількістю електронів.
Але коли йдеться про більші молекули — команда працювала з 13-вуглецевим кільцем, усіяним двома атомами хлору, — кількість залучених електронів стає складною, і розрахунок того, як вони зрештою вплинуть на орбіталі, стає дедалі складнішим завданням. У цій ситуації ми маємо справу з рядом орбіталей, які будуть зайняті 24 електронами від атомів вуглецю плюс ще вісім від двох атомів хлору. Це виходить за межі наших можливостей щодо проведення точних класичних симуляцій того, як мають виглядати орбіталі.
Але орбіталі є квантовою системою, та її природу можна порівняти з тією квантовою системою, якою ми можемо маніпулювати: квантовим комп'ютером. Хоча точне рішення, ймовірно, виходить за межі можливостей теперішніх квантових комп'ютерів, вони виявилися корисними для виконання змішаного класико-квантового алгоритму, який називається квантовою діагоналізацією на основі вибірок.
Алгоритм вибірок означає саме те, що він має на увазі: ви збираєте безліч вибірок поведінки системи та використовуєте їх для отримання загальних правил про її поведінку. У разі класичної частини алгоритму допомагає налаштувати безліч операцій на квантовому устаткуванні, кожна з яких надає окрему вибірку. Кожна з цих вибірок може бути виконана швидше, ніж це потрібно було б на класичному обладнанні, і досить коротка, щоб зазвичай не стикатися з межами похибки квантового обладнання. Завдяки швидкості квантового обладнання можна було виконати багато вибірок, тому будь-які окремі помилки повинні бути перекриті звичайними результатами.
У результаті команда підтвердила, що певні маніпуляції можуть допомогти їм створити напівмолекулу Мебіуса з правильною вихідною хімічною речовиною.
Які ж виходять ці сполуки?
Вибрана ними молекула досить незвичайна. Це кільце з 13 атомів вуглецю, до протилежних сторін якого приєднані атоми хлору. Оскільки число атомів вуглецю непарне, це означає, що з одного боку кільця п'ять атомів хлору розташовані з обох боків, з другого — шість. У чистому вигляді молекула утворювала б одинарні й потрійні зв'язки, що чергуються. Але присутність атомів хлору та непарне число атомів порушують це чергування, призводячи до утворення подвійного зв'язку та появи неспарених електронів.
Один із наслідків цього — нестабільність молекули. Дослідники синтезували її в ізольованому стані при надзвичайно низькій температурі, на поверхні кристала солі. По-друге — імовірно, неможливо розробити послідовність хімічних реакцій, які б її синтезували. Натомість дослідники почали з трикільцевої молекули з великою кількістю атомів хлору та використовували сканувальний тунельний мікроскоп для застосування точних напруг до певних атомів, розриваючи кілька вуглець-вуглецевих зв'язків та відщеплюючи більшість атомів хлору.
Після формування правильної молекули той же мікроскоп використовувався для застосування напруги до певних позицій щодо молекули, керуючись результатами попередніх моделювань. Це змінило конфігурацію молекули, вивівши два атоми хлору з плоскої площини, що визначається вуглецевим кільцем. Електрони змістилися в такий спосіб, що сторона молекули з п'ятьма атомами вуглецю між атомами хлору утворила ряд подвійних зв'язків; з іншого боку переважали одинарні й потрійні зв'язки.
Це, своєю чергою, змінило конфігурацію орбіталей задля досягнення зміни полу-Мебіуса, якої прагнули дослідники. Це було підтверджено атомно-силовою мікроскопією, яка зареєструвала зміни орбіталей і показала, що вони значною мірою відповідають передбаченням, отриманим на основі обчислювальної вибірки.
Що з цього випливає?
Для початку варто озирнутися назад і оцінити виконану роботу, оскільки багато аспектів цього явища ще кілька десятиліть тому могли б вважатися науковою фантастикою. Зіткнувшись із молекулою, яку неможливо синтезувати за допомогою хімічних реакцій, ми застосували точну напругу до окремих атомів, щоб створити молекулу, що точно відповідає нашим потребам. Потім ми маніпулювали її точною конфігурацією зв'язків за допомогою додаткових, старанно доданих напруг.
Все це стало можливим завдяки нашому чудовому розумінню квантово-механічної поведінки молекулярних орбіталей.
На відміну від цього, використання квантових обчислень може здатися дещо звичайним. Воно включало змішаний квантово-класичний алгоритм, спеціально налаштований для роботи в межах обмежень за частотою помилок і кількістю кубітів (він використовував понад половину з приблизно 150 кубітів процесора IBM Heron). Але, ймовірно, саме так виглядатимуть квантові обчислення в найближчі кілька років, оскільки наші можливості, що поступово розширюються, почнуть робити доступними кілька складніших алгоритмів з кожним новим кроком вперед. І це саме собою досить захопливе.
