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染料、DNA和“幽灵”

探索BG真人馆的量子研究

想象你手里拿着一个玻璃镇纸. 现在用你的眼睛放大,近一点,近一点. 然后放大到任何眼球都无法达到的深度,直到你能看到镇纸原子之间的空间. 欢迎来到量子世界. 在这个空间尺度上,BG真人馆注意到物质和能量是相互联系的. 深,对吧?

BG真人馆, 一个由30多名学生组成的高度专业化的团队, 所有教职员工都是量子DNA研究小组的成员, 称为qDNA. 他们将量子研究提升到一个令人瞠目结舌的新水平. 即使是美国.S. 能源部和海军研究办公室是这么认为的. 这就是为什么qDNA在2019年至2022年期间累计获得了超过1400万美元的资助.

BG真人馆正在推进世界对量子现象的科学理解:推进光的收集, 生物传感和成像, 量子计算和量子纠缠.

研究人员正在寻找一种在室温下研究量子现象的方法. 你可能会说,“那又怎样?客观地说,目前的量子计算方法需要温度为0.02开尔文(-459.华氏7度). 外层空间是3开尔文. 你知道在一个炎热的夏天,当你试图保持家里凉爽的时候,你的电费账单是什么样的? 想象一下把你的空间提高到-459需要的电费和能源消耗.华氏7度. 室温对于量子应用来说是个大问题.

BG真人馆仔细看看这是如何工作的,更重要的是,为什么它对你很重要.

进入实验室

BG真人馆从一个实验室到另一个实验室,看看发生了什么. 请记住,BG真人馆的qDNA团队与大多数团队不同. 而不是仅仅由终身教职和非终身教职组成, 许多团队由经验丰富的专业研究人员领导,他们主要专注于研究, 并指导学生和早期职业人员.

的 染料合成团队,由高级研究学者Olya质量领导,开发用于实验的定制染料. 这些染料很重要,因为没有它们, 在量子水平上创造理想的现象是不可能的(有趣的事实:不是所有的分子都有颜色). 而且,这些不是普通的染料. 它们与光相互作用并传递能量,就像植物中的叶绿素一样.

BG真人馆从光合作用中获得灵感,为量子计算设计手工系统,弥撒说. “光合作用的功能类似于BG真人馆希望量子系统的功能.”

为了帮助发现哪种染料候选者在所需的应用中表现最好 理论 及模拟小组,由李兰副教授及特聘研究员领导
Bernard Yurke,开发和实现计算建模和机器学习技术. 该团队还确定了染料的结构-性质关系,并预测了染料如何与DNA支架相互作用.

下一站: DNA构建 合成的团队 由Jeunghoon李副教授领导.

BG真人馆的目标是了解能量是如何在尽可能少的能量损失下在分子之间转移的. 光合作用生物已经发现了这一点. 当能量或光从一个分子转移到另一个分子时, BG真人馆想要研究和理解这种转移是如何在分子之间保存量子信息的情况下发生的,李说.

DNA结构合成小组组长Jeunghoon李
DNA结构合成小组组长Jeunghoon李

为此,研究小组使用了合成DNA. 不像人类基因组, 四个碱基对的组合被用来在DNA中存储信息, qDNA使用DNA作为分子支架. 在这种情况下, 研究量子信息是如何在染料分子之间被保存和操纵的, 李和他的团队使用这四个碱基对就像一个极小的, nano -
缩放“乐高”设置,将上述染料组织成所需的框架或染料聚合体.

现在,是时候用激光了. 这个过程的下一步向BG真人馆介绍 超快的光谱学的团队, 由首席研究学者瑞安·彭萨克领导, 实验室工程师保罗·戴维斯和首席研究学者丹尼尔•特纳.

尽管球队的名字听起来很吓人, Pensack让BG真人馆回到单词的字面意义上来提供启示:超快光谱学(对“幽灵”或“看不见的东西”的研究).

保罗·戴维斯(左)和阿什顿·恩里克斯(右)
保罗·戴维斯(左)和阿什顿·恩里克斯(右)

彭萨克和他的团队使用激光以微秒(万亿分之一秒)和毫秒(万亿分之一秒)的速度向dna组装框架发射光束.

你可能会想,“为什么?彭萨克把手伸进口袋里拿出一个硬币,放在桌上转了转. 注意,当旋转时,四分之一不再是正面或反面. 两者都是……也都不是. 这个例子, 彭萨克认为这是IBM研究员塔利亚·格尔森的功劳, 这是二进制计算机处理方法(0和1)和量子计算机处理潜力之间区别的一个直观例子吗.

通过使用激光, 该团队激发DNA染料聚合体,并收集数据以了解多长时间, 以及频率, 染料交换能量. 由于特纳数十年在产生超短激光脉冲方面的经验,这些测量可以用独一无二的仪器实现. 通过这些数据,研究小组了解了dna模板染料聚合框架的自旋量子态,以及环境如何与这些敏感的自旋量子态(或叠加态)相互作用。.

BG真人馆的qDNA团队让世界更接近于理解量子应用.

这些团队在BG真人馆共同做的每一件事都使世界更接近于理解如何在室温下实现量子应用. 量子信息可以成为测试疫苗功效等问题的所有已知可能性和概率的关键方法, 更复杂的天气预报, 更精确的全球定位系统和财务预测.

这就是推进量子计算如此重要的原因. 它涉及到概率和
潜在的结果是人类思维和当前计算机无法实现的.

-By Brianne Phillips,实验室照片由John Kelly和Priscilla Grover拍摄,视频由Matt Crook拍摄

教员和专业人员:比尔诺尔顿, 伯尼Yurke, Olya质量, Jeunghoon李, 瑞安Pensack, 丹尼尔•特纳, 保罗·戴维斯, 局域网李, Shibani巴苏, Gissela Pascual Pariona, 马特·巴克利, 凯特琳邓肯, 凯特尔Cervantes-Salguero, 理查德•艾略特, 迪帕克Panthi, 约翰霍尔, 詹妮弗•爱德华兹, 德文瓦特, 兰斯彭定康, 奇摩威尔逊, 麦迪逊Kadrmas, 劳伦斯矛, 亚伦吃晚饭. 学生:Simon Roy, 乔恩·赫夫, 尼克•莱特, 奥斯汀Biaggne, 德国Barcenas, 玛雅Ketteridge, 瑞安劳, 罗比吉尔

任何意见, 发现, 本文中所表达的结论或建议是作者的观点,并不一定反映作者的观点 能源部基础能源科学办公室, 材料科学与工程部或海军研究办公室.

支持工程学院的学生和研究.

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