Une équipe internationale de scientifiques d’IBM, de l’Université de Manchester, de l’Université d’Oxford, de l’ETH Zurich, de l’EPFL et de l’Université de Regensburg a créé et caractérisé une molécule comme une autre découverte aujourd’hui : vos électrons ont traversé la structure de la molécule avec un patron similaire à un sac qui modifie fondamentalement votre comportement chimique. Publié dans Science, ce travail décrit la première observation expérimentale d’une topologie électronique de la moitié de Möbius dans une seule molécule.
Jusqu’à ce que les scientifiques sachent, avant d’avoir été synthétisés, ils ont observé ou prévu formellement une molécule avec une topologie électronique. Comprendre le comportement de cette molécule au niveau de la structure électronique nécessite quelque chose de également fondamental : une simulation de calcul quantitative à haute fidélité capable d’analyser avec précision chaque propriété de la molécule.
Simulation quantitative
La découverte suppose une avance scientifique à deux reprises. Pour la technologie chimique, il est évident que la topologie électronique — la propriété qui fait que les électrons sont issus d’une molécule — peut être conçue délibérément et non simplement rencontrée dans la nature. Pour le calcul cuántica, il s’agit d’une démonstration concrète d’une simulation cuántica haciendo qui a été conçue: représenter directement le comportement de la mécanique cuántica, à l’échelle moléculaire, pour produire une connaissance scientifique que, de l’autre mode, il aura de façon permanente notre capacité.
« Nous allons d’abord concevoir une molécule que nous pensons pouvoir créer ; après la construction et finalement les validations, avec nos propriétés exotiques, avec un ordonnateur cuántico », affirme Alessandro Curioni, IBM Fellow, vice-président pour l’Europe et l’Afrique et directeur d’IBM Research Zurich. « C’est une grande étape qui a permis au célèbre physicien Richard Feynman de s’exprimer pendant des décennies : construire un ordonnateur capable de simuler la physique quantitative de la meilleure manière possible et une démonstration là-bas, comme il l’a dit, « il y a beaucoup d’espace dans le fond » ». L’issue de cette enquête marque un pas vers cette vision, ouvrant la porte à de nouvelles formes d’exploration du monde et le matériel qui le compose, y compris la compréhension profonde de chaque molécule.
Une molécule n’importe où avant la vue
La molécule, avec la formule C₁₃Cl₂, est ensamblée par l’atome dans les laboratoires d’IBM à partir d’un précurseur personnalisé synthétisé à l’Université d’Oxford. Pour construire la molécule, il faut éliminer les atomes individuels, un à un, au milieu des impulsions de tension calibrées avec précision dans des conditions de vide ultra-haute et des températures proches du zéro absolu.
Les expériences de microscopie d’effet en tunnel et de force atomique — des pionniers techniques d’IBM — sont combinées avec le calcul informatique pour révéler une configuration électronique sans parangon dans le registre existant de la chimique : une molécule avec une structure électronique qui expérimente un tour de 90 degrés sur chaque circuit, vous avez besoin de quatre vues complètes pour réenregistrer à la phase initiale.
Cette topologie de la moitié de Möbius est parfaitement distincte de toute molécule connue auparavant et peut alterner de forme réversible entre les états de torsion dans la sensation des aiguilles de la montre, dans la sensation contraire et sans torsion. Il est évident que la topologie électronique d’une molécule n’est pas seulement une propriété à découvrir, mais celle qui peut maintenant être conçue délibérément dans des conditions spécifiques.
Un outil scientifique disruptif
Les scientifiques de cette expérience ont créé une molécule qui n’avait jamais existé. Maintenant, je dois découvrir ce qui fonctionne, une tâche que les ordonnateurs conventionnels souhaitent. Les électrons à l’intérieur de la molécule C₁₃Cl₂ interagissent de manière profonde entre eux, influençant tous les deux de manière simultanée. Modèler ce comportement dans une molécule nécessite de mesurer chaque configuration possible de ces interactions à la fois, ce qui exige une capacité informatique qui augmente de manière exponentielle et peut être effectuée rapidement avec les machines classiques.
Les ordonnateurs cuánticos sont différents par nature parce qu’ils opèrent selon les mêmes règles de la mécanique cuántica qui gouvernent les électrons dans les molécules et peuvent représenter ces systèmes directement à leur place. « Hablan » le même langage fondamental que la matière qui est conçue pour les étudiants et sa distinction, avant la grande médecine théorique, peut maintenant contribuer aux résultats scientifiques concrets.
Jusqu’à ce que les scientifiques sachent, avant d’être synthétisés, ils observent ou prédisent une molécule avec une topologie électronique
Cette capacité offre un énorme potentiel pour que les ordonnateurs cuánticos répondent à l’expérimentation dans le monde réel au milieu des flux de travail de supercalcul centraux dans le cuántico. L’intégration d’unités de processus cuántico (QPU), CPU et GPU, cette approximation permet de décomposer des problèmes complexes — comme le comportement d’une molécule — en parties qui sont recherchées et résolues selon les forces de chaque système, ce qui fait qu’il n’y a pas de paradigme de calcul que vous puissiez offrir pour vous seul.
Structures moléculaires les plus exotiques
En utilisant un ordinateur IBM à l’intérieur de ce flux de travail, l’équipe a trouvé des orbitales moléculaires hélicoïdales pour l’union des électrons, une coque dactilaire de la topologie de la moitié de Möbius dans la molécule étudiée. De plus, la simulation médiane par calcul a aidé à révéler le mécanisme lié à la formation de cette topologie inhabituelle dans la molécule : un effet pseudo-hélicoïdal de Jahn-Teller.
Ceci est basé sur la grande part d’IBM dans la science à la nanoéchelle. Le microscope à effet tunnel de barrière (STM) a été inventé par IBM en 1981, grâce auquel les scientifiques d’IBM Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont reçu le Prix Nobel en 1986. Sa création a permis aux chercheurs d’obtenir des images de surface de l’atome. En 1989, les scientifiques d’IBM ont mis au point la première méthode fiable pour manipuler les atomes individuels. Au cours des dernières décennies, l’équipe d’IBM a étendu ses techniques pour construire et contrôler des structures moléculaires de plus en plus exotiques, y compris cette molécule extraordinaire.
