Em 1926, Schrödinger publicou uma série de artigos inovadores nos quais apresentou e desenvolveu sua teoria da mecânica ondulatória das ondas da matéria. Dentro de alguns anos, vários pesquisadores aproveitarão isso para obter uma descrição não só da estrutura dos átomos, mas também das moléculas e suas propriedades, principalmente no que diz respeito às ligações químicas. Poderíamos citar muitos nomes sobre este assunto, como os de Max Born e Robert Oppenheimer, mas especialmente Walter Heitler e Fritz London, bem como Robert Mulliken, Friedrich Hund e Linus Pauling.
Cálculos analíticos estão rapidamente se tornando cada vez mais difíceis de serem feitos usando o famoso Equação de Schrödinger para moléculas cada vez maiores e, já com apenas alguns átomos, devem ser feitas aproximações. A melhor maneira de fazer esses cálculos, como disse o brilhante ganhador do Prêmio Nobel de físico Richard Feynman usará computadores quânticos para realizar cálculos que descrevem essas leis aplicadas a sistemas quânticos.
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Várias empresas também estão na corrida para criar e desenvolver estas máquinas, como a Quellela em França, mas também IBM nos Estados Unidos, pois têm tanto potencial para uma nova revolução na química e física de sólido com novos medicamentos e materiais milagrosos. Outras empresas, como na França Qubit Farmacêuticaconcentre-se no desenvolvimento de algoritmos quânticos para esses computadores exótico que já podem fornecer resultados interessantes quando trabalham criteriosamente com supercomputadores clássicos.
O nervo de guerra de cada vez, é ser capaz de ter um número bastante grande de bits quânticos de informação, transportados, por exemplo, por elétrons na forma de qubits.
Jean Philip Piquemal, Professor Emérito e Diretor Científico, Sorbonne University / Qubit Pharmaceuticals – A computação híbrida de alto desempenho e o controle de qualidade de curto prazo podem acelerar a química computacional. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. © QC Ware
Uma molécula quântica exótica construída átomo por átomo
Hoje, como comprova artigo publicado em Ciênciacuja versão de acesso aberto pode ser encontrada em arXive vários comunicados de imprensa, uma equipe internacional de cientistas da IBM, da Universidade de Manchester, da Universidade de Oxford, da ETH Zurich, da EPFL e da Universidade de Regensburg criou e caracterizou uma molécula única.
Sua fórmula química não é muito complicada, C13Cl2e sua estrutura no espaço também não parece exótica: é uma espécie de anel que lembra um pouco uma famosa molécula química com um pouco menos de átomos e que é cíclica, o benzeno de fórmula crua C6H6. Há muito tempo que conseguimos aproximar as propriedades quânticas do benzeno com o mecânica quânticacomo comprovado pela famosa palestra de física de Feynman.
No entanto, C13Cl2 é na verdade uma molécula exótica que, nas palavras de um comunicado de imprensa da IBM, constitui a primeira observação experimental de uma topologia eletrônica do tipo meio Möbius dentro de uma molécula. Topologia que nunca foi sintetizada, observada ou mesmo prevista formalmente.
Na verdade, teve que ser sintetizado átomo por átomo sobre uma fina camada isolante de ouro, a temperaturas ligeiramente superiores às zero absoluto e primeiro na IBM Research Europe (Zurique). Três grandes tecnologias nascidas nos laboratórios de pesquisa da IBM tornaram possível esta descoberta: microscópio de tunelamento de varredura (STM), manipulação atômica e microscópio de força atômica (AFM). A IBM já o usou para fazer o menor filme do mundo.
No resultado final do trabalho atual com a nova molécula, chamada orbitais atômico/molecular – que podemos pensar aproximadamente como tipos de nuvens dando a probabilidade da presença e movimento de elétrons na molécula – ditam aos elétrons uma distribuição que tem novamente aproximadamente uma forma de saca-rolhas, o que modifica fundamentalmente seu comportamento químico.
Como os pesquisadores da IBM conseguiram mover todos esses átomos para fazer o menor filme do mundo? Este pequeno documentário leva você ao coração do laboratório. Conheça os cientistas, veja como eles criaram um filme usando átomos e aprenda sobre suas pesquisas sobre memória atômica e armazenamento de dados. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. ©IBM
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Quellela e seus computadores fotônicos, a chave para a segunda revolução quântica? Parte II
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Orbitais quânticos descritos com geometria de Möbius
Esta molécula sendo nova e complexa, também exigiu um simulação computacional combinando cálculos em um computador quântico e supercomputador clássico (ou seja, um exemplo de computação de alto desempenho híbrido sobre o qual Jean Philip Piquemal fala no vídeo acima) para saber mais sobre esta molécula.
A estrutura que observamos tem implicações para os elétrons que podemos compreender considerando o movimento de um objeto na superfície do que chamamos de anel ou anel. Tira de Möbius e que o matemáticos. É feito pegando uma fita e colando as pontas depois de torcê-la, o que resulta em uma fita unilateral de uma certa forma.
“ A tira de Moebius » – Pequenas descobertas, episódio 12, com Robin Jamet (mediador da unidade de matemática do Palais de la Découverte). © Universidade Ciência, 2020
Igor Rončević, coautor do artigo e conferencista em química computacional e teórica na Universidade de Manchester, fez uma longa declaração sobre o que foi feito com a nova molécula no comunicado de imprensa da IBM, que repetimos:
“ A química e a física do estado sólido estão progredindo graças à descoberta de novos métodos para controlar a matéria. Na segunda metade do século XXe século, os efeitos de substituição foram muito bem sucedidos. Por exemplo, os investigadores estudaram como a eficácia de um medicamento ouelasticidade de um material muda quando um grupo metil é substituído por um grupo cloro. O início do século 21e século assistiu ao advento spintrônicaque apresentou o rodar do elétron como um novo grau de liberdade e transformou o armazenamento de dados. Hoje, nosso trabalho mostra que a topologia também pode servir como um grau de liberdade flexível, abrindo assim um novo caminho promissor para controlar as propriedades dos materiais.
A complexa topologia desta molécula, bem como o comportamento exótico de muitos outros sistemas, resulta de interações entre seus elétrons. Simular elétrons com computadores clássicos é extremamente difícil: há dez anos, podíamos modelar com precisão 16 elétrons; hoje podemos chegar a 18. Os computadores quânticos são naturalmente adequados para este problema, porque os seus blocos de construção – qubits – são objetos quânticos, como os eletrões. Usando o computador quântico da IBM, conseguimos explorar o comportamento de 32 elétrons. Mas o mais emocionante é que isso é apenas o começo. O hardware quântico está avançando rapidamente e o futuro é quântico “.
À esquerda, uma imagem de microscopia de varredura por tunelamento da densidade orbital eletrônica da nova molécula meio-Möbius; à direita, uma imagem STM simulada da densidade orbital da molécula, produzida em um computador quântico IBM. © IBM e Universidade de Manchester