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研究者らは分子電子伝達の量子シミュレーションで「大幅な進歩」を遂げる

前列、左から右へ：ピーター・ウォリンズ、グイド・パガーノ、ホセ・オヌチッチ。後列、左から右へ：ローマン・ジュラベル、ミドドゥナ・ドゥライサミー・スガンティ、ヴィサル・ソー。クレジット: Alex Becker/ライス大学 ライス大学の研究者らは、無数の物理的、化学的、生物学的プロセスを支える基本的なプロセスである分子電子伝達のシミュレーションにおいて有意義な進歩を遂げました。この研究は、 科学の進歩では、トラップされたイオン量子シミュレーターを使用して、前例のない調整可能性で電子伝達ダイナミクスをモデル化し、分子エレクトロニクスから光合成に至るまでの分野における科学探査の新たな機会を開く方法について詳しく説明しています。 電子伝達は、植物の細胞呼吸やエネルギー収集などのプロセスにとって重要ですが、複雑な量子相互作用が関与するため、長い間科学者に課題を突きつけてきました。現在の計算技術では、これらのプロセスの全範囲を把握するには至らないことがよくあります。物理学者、化学者、生物学者を含むライス大学の学際的なチームは、電子伝達の主要な要素であるドナーとアクセプターのエネルギーギャップ、電子結合と振動結合、環境散逸を独立して制御できるプログラム可能な量子システムを作成することで、これらの課題に対処しました。 研究者らは、真空システムに閉じ込められレーザー光で操作されるイオン結晶を使用して、リアルタイムのスピンダイナミクスをシミュレートし、さまざまな条件にわたる転送速度を測定できることを実証しました。この発見は、量子力学の重要な理論を検証するだけでなく、集光システムや分子デバイスに対する新たな洞察への道を切り開きます。 「この種のモデルが、環境の役割を含め、さらには制御された方法で調整しながら、物理デバイス上でシミュレーションされたのはこれが初めてです」と、主任研究者のグイド・パガーノ物理学・天文学助教授は述べた。 「これは、化学や生物学に関連するモデルやレジームを調査するために量子シミュレーターを使用する能力における大きな進歩を表しています。期待は、量子シミュレーションの力を利用することで、最終的には現在行われているシナリオを調査できるようになるということです」古典的な計算手法にはアクセスできません。」 研究チームは、プログラム可能な量子プラットフォームを使用して分子電子伝達の標準モデルを再現することに成功し、重要なマイルストーンを達成しました。研究者らは、調整可能な散逸の精密なエンジニアリングを通じて、電子伝達の断熱および非断熱体制の両方を調査し、これらの量子効果がさまざまな条件下でどのように作用するかを実証しました。さらに、彼らのシミュレーションは、自然の光合成システムで観察されるエネルギー輸送機構と類似した電子移動の最適条件を特定しました。 「私たちの研究は、量子ハードウェアを使用して化学力学を直接シミュレートできるか?という疑問によって動かされています。」パガーノ氏は語った。 「具体的には、生体分子における光合成や電子伝達など、生命に不可欠なプロセスにおいて重要な役割を果たす環境影響をこれらのシミュレーションに組み込むことができるでしょうか?生体分子における電子伝達を直接シミュレートする能力は貴重な洞察を提供する可能性があるため、この問題に取り組むことは重要です」新しい集光材料の設計に対して。」 実際の応用への影響は広範囲に及びます。このレベルで電子伝達プロセスを理解することは、再生可能エネルギー技術、分子エレクトロニクス、さらには量子コンピューティング用の新材料の開発におけるブレークスルーにつながる可能性があります。 「この実験は、特に光合成複合体のような生物系において、量子効果がエネルギー輸送にどのように影響するかをより深く理解するための有望な第一歩です」とハリー・C・ヴィースとオルガ・K・ヴィースの研究共著者であるホセ・N・オヌチック氏は述べた。物理学長、物理学、天文学、化学、生物科学の教授。 「この種の実験で得られる洞察は、より効率的な集光材料の設計にインスピレーションを与える可能性があります。」 以上の情報で科学、技術、宇宙の最新情報を発見してください チャンネル登録者数 100,000 人 日々の洞察を得るために Phys.org に依存している人たちです。無料のニュースレターに登録して、画期的な進歩、革新、重要な研究に関する最新情報を入手してください。毎日または毎週。 研究の共著者であり、DRブラード・ウェルチ財団科学教授であり、化学、生物科学、物理学、天文学の教授でもあるピーター・G・ウォリンズ氏は、この研究結果のより広範な重要性を強調し、「この研究は理論的予測と実験的検証の間のギャップを埋めるものである」と述べた。 、複雑なシステムにおける量子プロセスを探索するための、絶妙に調整可能なフレームワークを提供します。」 研究チームは、光合成や DNA 電荷輸送に関与する分子システムなど、より複雑な分子システムを含めるようにシミュレーションを拡張する予定です。研究者らはまた、量子プラットフォームの独自の機能を活用して、エネルギー伝達における量子のコヒーレンスと非局在化の役割を調査したいと考えている。 「これはほんの始まりにすぎません」と、この研究の共同主著者であり物理学と天文学の教授であるハン・プー氏は語った。 「私たちは、このテクノロジーが生命やその先の量子の謎を解明するのにどのように役立つかを探求することに興奮しています。」 この研究の他の共著者には、大学院生のヴィサル・ソー氏、ミドドゥナ・ドゥライサミー・スガンティ氏、アビシェク・メノン氏、ミンジャン・ジュー氏、研究科学者のローマン・ジュラベル氏が含まれる。 詳細情報: Visal So et al、調整可能な散逸を備えた電子伝達モデルのトラップイオン量子シミュレーション、 科学の進歩 （2024年）。 DOI:…