TL;DR
- در مطالعهای که امروز در Science منتشر شد،.
- محققان از ایجاد اولین مولکولی که توپولوژی الکترونیکی نیمه موبیوس را نشان میدهد - شکلی از ماده کوانتومی.
- که قبلاً حتی حدس زده نشده بود،.
چه اتفاقی افتاد
در مطالعهای که امروز در Science منتشر شد،. محققان از ایجاد اولین مولکولی که توپولوژی الکترونیکی نیمه موبیوس را نشان میدهد - شکلی از ماده کوانتومی.
که قبلاً حتی حدس زده نشده بود،. گزارش دادند.
دانشگاه رگنسبورگ از ابر محاسبات کوانتوم محور استفاده کرد،. الگوی جدیدی از سیستمهای کوانتومیو کلاسیک که با هم کار میکنند.
در سال 1959،. فاینمن در مقابل حضار در Caltech ایستاد و اظهار داشت:.
"در پایین فضای زیادی وجود دارد. " منظور او از این جمله بود که میتوان ماده را اتم به اتم مهندسی کرد.
اگر بتوانیم اتمهای منفرد را در جایی که میخواهیم قرار دهیم،. میتوانیم اشکال کاملاً جدیدی بسازیم دو دهه بعد،.
فاینمن گفت:. «طبیعت کلاسیک نیست.
اگر میخواهید شبیهسازی طبیعت بسازید،. بهتر است آن را مکانیکی کوانتومیکنید.» سیستمهای کوانتومیبهطور طبیعی توسط دستگاههای کوانتومیتوصیف میشوند و بنابراین.
بهطور طبیعی شبیهسازی میشوند. مهندسی توپولوژی مولکولی جدید توپولوژی مطالعه ریاضی ویژگیهای ساختارهای ذاتی و نحوه اتصال اشیا است.
بهطور معمول،. حلقهای از اتمهای متصل در یک مولکول «از نظر توپولوژیکی بیاهمیت» است،.
به این معنی که اگر اوربیتالهای اتمیآنها - ساختار ابر مانندی که محل الکترونها را نشان میدهد. - در اطراف حلقه ردیابی کنید،.
پس از یک حلقه به جایی که شروع کرده اید برمیگردید. حالا میتوانید مولکولی را تصور کنید که در آن ابر الکترونی یک حلقه تشکیل میدهد.
از حلقه، باید دو بار دور حلقه بچرخید تا به جایی که شروع کرده بودید برگردید. آن اضافی چرخش اساساً تقارن و ویژگیهای سیستم را در مقایسه با سیستمهای بیاهمیت توپولوژیکی بدون پیچش تغییر.
میدهد. با مولکول نیمه موبیوس تازه مهندسی شده،.
تیم چیز پیچیدهتری ایجاد کرد:. ابر الکترونی پس از چهار حلقه کامل،.
با فاز الکترونیکی آن ۹۰ درجه در هر چرخش میپیچد. این توپولوژی نیمه موبیوس یک کلاس الکترونیکی کاملاً جدید را تعریف میکند،.
که از توپولوژیهای موبیوس تا کنون شناخته شده متمایز است. و جالبتر اینکه،.
سیستم را میتوان به صورت برگشتپذیر بین یک نیم موبیوس راستدست،. یک نیمه موبیوس چپدست،.
و یک پیکربندی بیاهمیت توپولوژیکی تغییر داد. توپولوژی در اینجا یک ویژگی غیرفعال نیست.
این مولکول مهندسی شده، کنترل شده و دستکاری شده است. خود مولکول (C13Cl2) در IBM Research Europe - زوریخ با استفاده از میکروسکوپ کاوشگر روبشی بر روی یک.
لایه عایق نازک از طلا،. در دمای کمیبالاتر مونتاژ شد.
صفر مطلق سه بخش مهم از میراث علمی IBM Research این کشف را ممکن کرد:. میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)،.
دستکاری اتمی،. و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM).
با استفاده از تکنیکهای توسعه یافته توسط IBM،. گرد بینینگ و هاینریش رورر STM را در سال 1981 در زوریخ تحقیقاتی اروپا اختراع کردند.
این نوآوری امکان مطالعه اتم به اتم سطح ساختارها را فراهم کرد و بیننیگ و روهرر جایزه نوبل. فیزیک را در سال 1986 به ارمغان آورد.
در اینجا از STM برای ترسیم اوربیتالهای مولکولی استفاده شد. در سال 1989،.
دونالد ایگلر،. یکی از همکاران IBM،.
از STM برای ابداع اولین تکنیک برای دستکاری قابل اطمینان اتمهای فردی استفاده کرد. علم نانو.
این تیم امروز از دستکاری اتم برای ایجاد مولکول و جابجایی آن بین توپولوژیها استفاده کرد. و در سال 2016،.
بیننیگ به همراه کریستوف گربر،. دانشمند سابق IBM Research و استنفورد کالوین کوات،.
فیزیکدان،. برنده جایزه Kavli در علم نانو برای اختراع AFM شد.
AFM از یک نوک روی یک کنسول استفاده میکند و میتواند ساختارهای مولکولی را با دقت. بالا بخواند،.
بر اساس سنجش نیروهای کوچک بین نوک و نمونه. در این مثال، AFM برای حل هندسه مولکول نیمه موبیوس استفاده شد.
دههها پس از اختراع STM و اولین نمایشهای دستکاری کنترلشده اتم،. توانایی طراحی ماده در سطح تک اتمیبه ظرفیت مهندسی ماده کوانتومیجدید تبدیل شده است.
ایجاد چنین سیستمهای مولکولی پیچیدهای است، اما اولین مرحله جذاب است. درک رفتار آنها چالشی به همان اندازه بزرگ است.
این مولکولها ساختارهای الکترونیکی پیچیده و همبستگیهای کوانتومیقوی را نشان میدهند که نمیتوان آنها را به تنهایی. با استفاده از ابزارهای نظری مرسوم بهطور کامل تفسیر کرد.
درک آنچه ما ساختیم سنتی روشهای شبیهسازی پس از هارتری فوک مانند کوانتوم مونت کارلو،. CASSCF،.
CASPT2،. CCSD،.
CCSD(T) و انتخابی CI مدت هاست که دامنه محاسبات کلاسیک را گسترش دادهاند،. که هرکدام نشاندهنده پیشرفت قابلتوجهی در پارادایم کلاسیک است.
با این حال،. سیستم نیمه موبیوس همبستگیهای الکترونیکی قوی و ویژگیهای چند مرجع مشخص را نشان میدهد،.
به این معنی که مطالعه خواص مکانیکی الکترونیکی یا کوانتومیمربوطه مولکول با روشهای شبیهسازی کلاسیک. بسیار چالش برانگیز است.
فضای پیکربندی مربوطه بهطور تصاعدی با اندازه سیستم رشد میکند. بنابراین، در اینجا، تیم یک رویکرد محاسباتی اساسا متفاوت را اتخاذ کرد.
با استفاده از SqDRIFT،. یک الگوریتم قطری کوانتومیمبتنی بر نمونه اجرا شده بر روی یک ابررایانه متمرکز کوانتومی،.
تیم یک فضای فعال را بسیار فراتر از آن چیزی که موربسازی کلاسیک با نیروی brute-force میتوانست مستقیماً. به آن دسترسی داشته باشد،.
کاوش کرد. همگرایی نتایج آنها توسط انجام محاسبات SqDRIFT بر روی حداکثر 100 کیوبیت پردازنده IBM Heron.
هدف نشان دادن عملکرد سختافزار به صورت مجزا نبود،. بلکه رمزگشایی ساختار الکترونیکی یک ماده کوانتومیجدید سنتز شده بود.
درست،. یک تصویر STM شبیهسازی شده از چگالی مداری مولکول،.
که با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی IBM ساخته شده است. اعتبار: تحقیقات IBM و دانشگاه منچستر.
الگوریتمهای کوانتومیبه جای فشرده سازی یا تقریب ساختار نمایی فضای هیلبرت،. آن را مستقیماً در کیوبیتهای فیزیکی نشان میدهند.
شبیهسازیهای کوانتومیبه آشکار کردن منشأ سوئیچینگ توپولوژی کمک کردند،. اثری به نام اثر مارپیچی شبه جان تلر،.
که اساساً تغییری در ساختار الکترونیکی مولکول ناشی از هندسه پیچخورده آن است که یک میکروسکوپی را ارائه. میدهد.
توضیحی برای اثر انگشت الکترونیکی مشاهده شده تجربی شبیهسازیهای کوانتومیهمچنین پیشبینی یک اوربیتال مولکولی پیچ خورده را. برای اتصال الکترون،.
که نشانه توپولوژی نیمه موبیوس است،. تأیید کرد.
در این مورد،. محاسبات کوانتومییک اثبات اصل در یک نمونه اسباببازی نبود - این یک ابزار علمیبود که برای.
تفسیر دادههای تجربی واقعی استفاده میشد. وارد کردن این گام در گام کوانتومیبا استفاده از مزیت کوانتومیبه معنای مزیت era بود.
محاسبات برای شیمیکوانتومی این تیم از سختافزار کوانتومیبرای مطالعه یک سیستم آزمایشی استفاده کرد که پیچیدگی. آن رویکردهای مرسوم را به چالش میکشد.
در این مرحله، SqDRIFT جایگزین روشهای کلاسیک نیست. آنها را تکمیل میکند.
در کنار روشهای شبیهسازی فوق،. اکنون میتوانیم یک عضو جدید را به جعبه ابزار post-Hartree-Fock اضافه کنیم،.
یکی بر اساس یک الگوی محاسباتی کاملاً متفاوت. و با تشکر از رفتار مقیاسپذیری بهتر آن، به زودی از برخی تواناییهای همتایان خود فراتر خواهد رفت.
علاوه بر این،. با ظهور نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی،.
IBM مسیری واقع بینانه به سمت مزیت کوانتومیرا در مطالعه مولکولهایی با فضاهای فعال بزرگ مشاهده میکند. دستکاری اتم و پردازندههای کوانتومیبرای مدل سازی رفتار آنها از طریق الگوریتمهایی که بر اساس.
قوانین فیزیکی یکسان هستند استفاده میشود. ساخت و شبیهسازی یکدیگر را تقویت میکنند:.
آزمایشها ماده کوانتومیجدیدی را ایجاد میکنند و کاوش میکنند،. در حالی که محاسبات کوانتومیقدرت پیشبینی و تفسیری را ارائه میدهد.
در نهایت،. این ترکیب آزمایش و محاسبات کوانتومیاتاقی را که فاینمن از آن صحبت کرده است را بررسی میکند.
و درک ما را از آن عمیقتر میکند. فیزیک کوانتومی - قوانین اساسی حاکم بر جهان ما.
از این نظر، این رویکرد دیدگاههای فاینمن را تجسم میبخشد و آنها را زنده میکند. ما اکنون ابزارهایی برای مهندسی مولکولهای اتم به اتم داریم که نیاز به مطالعه در سطح کوانتومی.
دارد. و اگر طبیعت کوانتومیاست، پس شبیهسازی آن با سیستمهای کوانتومیصرفاً ممکن نیست، بلکه مسیر طبیعی است.
چرا مهم است
اهمیت این خبر در این است که روی استفاده واقعی از AI و تصمیمگیری سازمانی اثر میگذارد.
منبع
لینک منبع اصلی در کارت و صفحه مقاله نمایش داده میشود.