KEMIČARI su stvorili dosad neviđenu molekulu gotovo nemogućeg oblika, a jedan od ključnih ljudi iza ovog postignuća je Hrvat.

Dr. Igor Rončević predvodio je tim koji je pomaknuo granice moderne znanosti. Nakon doktorata na zagrebačkom PMF-u i usavršavanja na Oxfordu, Rončević je postao voditelj istraživačke grupe na Sveučilištu u Manchesteru.

Tim je koristio konvencionalne metode kako bi sintetizirao takozvanu "polu-Möbiusovu" molekulu. Međutim, njezinu jedinstvenu strukturu u kvantnom svijetu uspjeli su potvrditi tek uz pomoć kvantnog računala, piše Gizmodo.

Ovo otkriće, objavljeno u prestižnom časopisu Science, naglašava ključnu ulogu kvantnog hardvera u budućim istraživanjima. Upravo je Rončevićev rad u praksi dokazao viziju legendarnog fizičara i nobelovca Richarda Feynmana.

Feynman, jedan od najutjecajnijih znanstvanika 20. stoljeća, je još 1981. godine izrekao povijesnu tezu: priroda nije klasična, pa ako je želimo simulirati, morat ćemo izgraditi računala koja rade na principima kvantne mehanike.

Više od četiri desetljeća kasnije, hrvatski znanstvenik pokazao je da je to doista moguće.

Izazov molekularne topologije

Möbiusovu traku lako je napraviti: dovoljno je uzeti traku papira, jednom je uvrnuti i spojiti krajeve.

Međutim, u svijetu napredne kemije stvari su znatno složenije. Na atomskoj razini, veze unutar molekule ne izgledaju kao uredni modeli kuglica i štapića iz udžbenika.

Elektroni međusobno djeluju putem orbitala, odnosno vjerojatnosnih funkcija koje opisuju njihovo valno kvantno ponašanje.

Razumijevanje tih interakcija ključno je za stvaranje složenih molekularnih struktura, no klasična računala tu nailaze na nepremostivu prepreku.

"Klasična računala nisu baš dobra u eksplicitnom opisivanju interakcija među elektronima", pojasnio je za Gizmodo Igor Rončević, vodeći autor studije i kemičar sa Sveučilišta u Manchesteru.

"Prije desetak godina mogli smo pomoću klasičnih računala modelirati oko 16 elektrona, a danas smo došli do 18. Čak i da udvostručimo računalnu snagu, ne bismo daleko stigli jer je skaliranje eksponencijalno. To je zato što klasičnim objektima - bitovima - pokušavamo simulirati kvantne objekte - elektrone", dodao je.

Kvantni iskorak

Upotrebom kvantnog računala, tim je uspio modelirati i opisati čak 32 elektrona. Otkrili su da orbitalna struktura njihove "polu-Möbiusove" molekule zahtijeva četiri petlje za puni krug i može se prebacivati između više uvijenih stanja, što je molekularna topologija kakva još nije zabilježena.

Tim je u početku istraživao prstenaste strukture ugljika, a usput je stvorio i molekulu na bazi ugljika s dva atoma klora. Kada su je ponovno promotrili mikroskopom atomske rezolucije, uočili su neobičnu orbitalnu strukturu.

Rončević se prisjetio da su tek nakon što su tu sliku uspjeli reproducirati pomoću kvantnog računala znali da "ne haluciniraju".

Ipak, kako bi u potpunosti razumjeli topologiju, morali su se vratiti na teorijske radove iz davne 1964. godine. "Glavni izazov bio je shvatiti što smo uopće dobili, a zatim razviti teoriju koja bi to opisala. Kad je sve napokon sjelo na svoje mjesto, bili smo iscrpljeni, ali vrlo sretni", rekao je.

Je li ovo kvantna nadmoć?

Postavlja se ključno pitanje: dokazuje li ovaj eksperiment takozvanu kvantnu prednost, odnosno da je kvantni hardver nedvojbeno superioran klasičnim računalima za određene zadatke? I, što je još važnije, ima li sve to ikakvu praktičnu korist?

Scott Aaronson, računalni znanstvenik sa Sveučilišta u Teksasu koji nije sudjelovao u istraživanju, smatra da sam rad tretira kvantni hardver kao nešto sporedno.

"Oni tvrde da su nadmašili ono što može učiniti egzaktna klasična simulacija, ali to nije relevantno pitanje. Relevantno pitanje je jesu li ostvarili ikakvu prednost u usporedbi s približnom klasičnom simulacijom?" objasnio je Aaronson.

"Ovo se čini kao pokazatelj kako će korištenje kvantnih računala za kemiju, znanost o materijalima i slično postajati sve uobičajenije, do te mjere da jedva zaslužuje biti vijest", dodao je.

"To je sjajno - u tome i jest poanta", odgovorio je na Aaronsonove komentare Jerry Chow, direktor odjela IBM Quantum, čiji je hardver korišten u studiji.

"Možda će postati svakodnevica da se ovakve stvari spajaju, ali to pokazuje zrelost tehnologije koju stručnjaci mogu iskoristiti kao alat. O tome je Feynman i govorio - kvantna računala imaju sposobnost proučavanja kvantnih efekata, koji su kemiji prirodni."

Početak kvantne ere u kemiji

Rončević je zadovoljan što ima na raspolaganju nove moćne alate. Tim još nije siguran gdje bi se nova molekula mogla primijeniti, no otkriće potvrđuje da je moguće konstruirati i manipulirati sićušnim elektronskim stanjima, a zatim koristiti kvantni hardver za potvrdu njihovog kvantno-mehaničkog ponašanja.

Rončević je kao primjer naveo diskove za pohranu podataka, koji su nastali kao rezultat spoznaje da se spin elektrona može iskoristiti kao dodatni "stupanj slobode" za tehnološki napredak.

Slično tome, smatra hrvatski kemičar, netrivijalne topologije mogle bi jednog dana poslužiti za izradu kvantnih senzora ili omogućiti složeniju kontrolu nad kvantnim tehnologijama.

"Znanost napreduje kako otkrivamo nove načine manipuliranja materijom", rekao je. "Ako smo vrlo optimistični, možemo pretpostaviti da će topološki netrivijalne molekule pronaći primjenu u kvantnim tehnologijama."