בסיוע מחשב קוונטי: חוקרים יצרו מולקולה חדשה שטרם נראתה

החוקרים הצליחו לראשונה לתכנן, לבנות ולאמת בסיוע מחשב קוונטי, מולקולה בעלת מבנה ייחודי שלא הייתה קיימת לפני כן. מדובר בהדגמה מעשית ראשונה לייעוד המרכזי של טכנולוגיית המחשוב הקוונטי: לדמות בצורה הטובה ביותר את חוקי הפיזיקה הקוונטית ולחקור את החומרים המרכיבים את העולם

צוות חוקרים של ענקית המחשוב IBM, בשיתוף מדענים מאוניברסיטת מובילות באירופה, הצליח ליצור מולקולה חדשה שלא נצפתה או נחזתה באופן רשמי מעולם. המבנה יוצא הדופן של המולקולה נבחן ואומת בסיוע המחשב הקוונטי של IBM.

במסגרת המחקר, שפורסם בסוף השבוע בכתב העת המדעי Science, הצליחו החוקרים ליצור ולאפיין סוג חדש של מולקולה, בה האלקטרונים נעים במסלול דמוי ספירלה בתוך המבנה שלה, תנועה שמשנה באופן מהותי את התנהגותה הכימית. לדברי החוקרים, מולקולה בעלת טופולוגיה אלקטרונית שכזו מעולם לא סונתזה, נצפתה או אפילו נחזתה באופן רשמי בעבר .

התגלית הייתה פרי שיתוף פעולה בין צוות של חוקרים מ-IBM בשיתוף מדענים מאוניברסיטת אוקספורד ואוניברסיטת מנצ'סטר בבריטניה, ומהמוסדות הטכנולוגיים המובילים בשוויץ: ETH Zurich ו-EPFL  ומאוניברסיטת רגנסבורג בגרמניה.

לדברי החוקרים, יש לתגלית החדשה משמעות פורצת דרך בשני תחומים מדעיים: בתחום הכימיה, היא מדגימה כי טופולוגיה אלקטרונית, שהיא התכונה הקובעת כיצד אלקטרונים נעים דרך מולקולה, יכולה להיות מתוכננת במכוון, ולא רק להתגלות בטבע.

בתחום המחשוב הקוונטי, מדובר בהדגמה מעשית ראשונה לייעוד המרכזי של הטכנולוגיה: ביצוע סימולציות של התנהגות מכניקת הקוונטים בקנה מידה מולקולרי, כדי להפיק תובנות מדעיות שלא ניתן היה להגיע אליהן באמצעים אחרים.

המולקולה, שנוסחתה הכימית C₁₃Cl₂  הורכבה ב-IBM אטום אחר אטום ממולקולת מוצא ייעודית שסונתזה באוניברסיטת אוקספורד. במהלך התהליך, הוסרו אטומים בודדים בזה אחר זה באמצעות פולסי מתח מכוילים בדיוק רב, בתנאי ואקום אולטרה־גבוה ובטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט.

ניסויים שבוצעו באמצעות מיקרוסקופים ייחודיים (שגם הטכנולוגיה שלהם פותחה במקור ב-IBM, ושבעבורה זכו שני פיזיקאים מ-IBM בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1986), בשילוב מחשוב קוונטי, חשפו טופולוגיה אלקטרונית שאין לה מקבילה ברישומי הכימיה הקיימים: מבנה אלקטרוני שעובר פיתול של 90 מעלות בכל מחזור, כך שנדרשים ארבעה סיבובים מלאים כדי לחזור לפאזה ההתחלתית.

"השלב הראשון היה לתכנן מולקולה שלדעתנו ניתן יהיה ליצור. לאחר מכן בנינו אותה, ולבסוף אימתנו אותה ואת תכונותיה החריגות באמצעות מחשב קוונטי", אמר ד"ר אלסנדרו קוריוני, מנהל המחקר של  IBM באירופה ואפריקה ומנהל מעבדת המחקר המרכזית לקוונטום של IBM בציריך. "מדובר בצעד משמעותי לעבר החזון שהציג לפני עשרות שנים הפיזיקאי הנודע ריצ'רד פיינמן, לבנות מחשב שיוכל לדמות בצורה הטובה ביותר את חוקי הפיזיקה הקוונטית. הצלחת המחקר הזה היא צעד נוסף בדרך לחזון הזה, ופותחת את הדלת לדרכים חדשות לחקור את עולמנו ואת החומר שמרכיב אותו."