Международная команда ученых-физиков из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Университета Карлсруэ и Университета Майнца из Германии научилась моделировать процессы, которые могут помочь в расшифровке механизмов фотосинтеза. Статья, посвященная этому исследованию, была опубликована в журнале Nature Communications.
Под фотосинтезом чаще всего понимается совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии света в различных реакциях, в том числе преобразование углекислого газа в органические вещества с выделением кислорода. В связи с уменьшением количества растений на Земле воспроизведение фотосинтеза в искусственных условиях является на данный момент весьма актуальной задачей. Но чтобы повторить некий процесс, сначала необходимо его понять.
Однако данная задачка оказалась крепким орешком, и для поиска ответов на некоторые ее вопросы не хватает мощности компьютеров всего мира. Поэтому исследователи прибегли к моделированию при помощи квантовых компьютеров.
«Свет в момент поглощения его веществом взаимодействует с колебаниями межатомных связей в молекулах, в частности с теми, которые отвечают за фотосинтез. Свойства таких колебаний позволяют молекулам „запасать“ большое количество квантов света, то есть энергии. Также известно, что в процессе фотосинтеза поглощается квант света (наименьшая величина в измерении энергии электромагнитных волн) — фотон, и его энергия при взаимодействии с веществом поглощается почти полностью. Коэффициент полезного действия этого процесса больше 50%. Это очень высокоэффективный процесс преобразования энергии света в энергию, „хранящуюся“ в материи», — рассказывает Алексей Устинов, заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководитель группы Российского квантового центра.
В данном случае в качестве «ячейки памяти» квантового компьютера были взяты искусственные атомы — кубиты. Они ведут себя как природные частицы, имеют такое же строение на квантовом уровне. Но их структуру (а следовательно, и физические свойства) можно мгновенно менять. В частности, расстояние между энергетическими уровнями, то есть величину энергии, необходимую для перехода искусственного атома с одного уровня на другой. Необходимым для квантовых измерений условием является низкая температура — она поддерживалась на уровне 20 милликельвин, почти абсолютный ноль! Такой экстремальный «мороз» необходим для того, чтобы тепловые колебания не мешали наблюдать за квантово-механическими процессами.
Термин «сверхпроводниковый» означает, что материал кубита обладает строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении им температуры ниже определенного значения. Это также необходимо для нейтрализации излишних передвижений электронов. Для считывания состояния кубитов (на чем и основан метода расчета в квантовых компьютерах) использовалось изменение частоты света.
Систему, в которой есть только один фотон и всего одна двухуровневая система, то есть искусственный атом, можно рассчитать и на обычном компьютере. Но в реальности фотонов много, они могут взаимодействовать с несколькими искусственными системами, и только квантовый компьютер позволяет произвести расчеты в сложной системе, подобной природному процессу фотосинтеза.
