Zoeken naar nieuwe stoffen en ontwikkelen van nieuwe technieken in de chemische industrie:taken die vaak worden versneld met computersimulaties van moleculen of reacties. Maar zelfs supercomputers bereiken snel hun grenzen. Nu hebben onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching (MPQ) een alternatief ontwikkeld, analoge benadering. Een internationaal team rond Javier Argüello-Luengo, doctoraat kandidaat bij het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO), Ignacio Cirac, Directeur en hoofd van de afdeling Theorie van de MPQ, Peter Zoller, Directeur van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information in Innsbruck (IQOQI), en anderen hebben de eerste blauwdruk ontworpen voor een kwantumsimulator die de kwantumchemie van moleculen nabootst. Zoals een architectonisch model kan worden gebruikt om de statica van een toekomstig gebouw te testen, een molecuulsimulator kan het onderzoeken van de eigenschappen van moleculen ondersteunen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Met behulp van waterstof, de eenvoudigste van alle moleculen, als voorbeeld, het wereldwijde team van natuurkundigen uit Garching, Barcelona, Madrid, Beijing en Innsbruck demonstreren theoretisch dat de kwantumsimulator het gedrag van de elektronenschil van een echt molecuul kan reproduceren. In hun werk, ze laten ook zien hoe experimentele natuurkundigen stap voor stap zo'n simulator kunnen bouwen. "Onze resultaten bieden een nieuwe benadering voor het onderzoek naar verschijnselen die voorkomen in de kwantumchemie, ", zegt Javier Argüello-Luengo. Dit is zeer interessant voor scheikundigen omdat klassieke computers notoir moeite hebben om chemische verbindingen te simuleren, omdat moleculen de wetten van de kwantumfysica gehoorzamen. Een elektron in zijn schil, bijvoorbeeld, kan gelijktijdig naar links en rechts draaien. In een samenstelling van vele deeltjes, zoals een molecuul, het aantal van deze parallelle mogelijkheden vermenigvuldigt zich. Omdat elk elektron met elkaar in wisselwerking staat, de complexiteit wordt al snel onhandelbaar.

Als uitweg, in 1982, de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman suggereerde het volgende:We zouden kwantumsystemen moeten simuleren door ze in het laboratorium te reconstrueren als vereenvoudigde modellen uit individuele atomen, die inherent kwantum zijn, en daarom impliceren een parallellisme van de mogelijkheden standaard. Vandaag, quantumsimulators zijn al in gebruik, bijvoorbeeld om kristallen te imiteren. Ze hebben een vaste, driedimensionaal atoomrooster dat wordt nagebootst door verschillende elkaar kruisende laserstralen, het "optische rooster". De snijpunten vormen zoiets als putjes in een eierdoos waarin de atomen zijn gevuld. De interactie tussen de atomen kan worden gecontroleerd door de stralen te versterken of te verzwakken. Zo krijgen onderzoekers een variabel model waarin ze atomair gedrag heel precies kunnen bestuderen.

De grote conceptuele uitdaging

Wat nu nieuw is, is het idee om een ​​vergelijkbare structuur te gebruiken om een ​​molecuul te simuleren, waarvan de chemie wordt bepaald door zijn elektronenschil. In het voorgestelde theoretische model, elektrisch neutrale atomen in het optische rooster nemen de rol van elektronen over. De atomen kunnen vrij van put naar put bewegen in de "eierdoos", vergelijkbaar met de elektronen in de schaal van een echt molecuul. De grote conceptuele uitdaging die de natuurkundigen moesten oplossen, was dat elektronen elkaar afstoten vanwege hun dezelfde elektrische lading. Dit samenspel wordt de "Coloumb-interactie" genoemd en treedt zelfs op over lange afstanden. Echter, de atomen in de "eierdoos" hebben alleen interactie met hun directe buren. "Dus wat we bovendien moesten doen, was de karakteristieke afname van de Coulomb-interactie met de afstand tussen de gesimuleerde elektronen modelleren, "zegt Argüello-Luengo.

Om dat probleem aan te pakken, de onderzoekers raakten geïnspireerd door hoe de Coloumb-interactie wordt beschreven in de kwantumtheorie. Volgens dit, een elektron zendt een lichtdeeltje (foton) uit dat wordt opgevangen door een ander elektron. Als twee mensen op rolschaatsen, waarbij de een een bal naar de ander gooit om hem te vangen, hierdoor drijven de mensen van elkaar weg. analoog, de twee elektronen stoten elkaar af. Dus, de onderzoekers suggereren een soortgelijk mechanisme in hun gemodelleerde molecuul. Eerst, elk putje in de "eierdoos" is gevuld met extra atomen. Elk van deze achtergrondatomen kan energetisch worden geëxciteerd door de bestraling van een laserlicht, het verschaffen van het medium voor het verzenden van de interactie. Een aangeslagen achtergrondatoom geeft de energie door aan zijn buur, die het doorgeeft aan zijn buurman, enzovoort. De excitatie beweegt zich als een foton door het medium. "De excitatie vindt bij voorkeur plaats in de posities waar een van de gemodelleerde elektronen zich bevindt, " legt Argüello-Luengo uit. Het "elektron" en het aangeslagen achtergrondatoom stoten elkaar af. Als de excitatie die rondgaat het tweede "elektron" ontmoet, " de afstoting treedt ook op. Zo wordt het effect gemedieerd. De kans op een dergelijke uitwisseling neemt af met de afstand tussen de twee "elektronen, " zoals het doet met de Coulomb-interactie.

interessant, de voorgestelde simulator kan ook opschalen naar grotere moleculen dan waterstof. In de toekomst, mensen zullen de simulaties van een model zoals dit voorgesteld kunnen gebruiken, vergelijk het met een conventioneel computermodel en pas het dienovereenkomstig aan. De natuurkundige durft vooruit te kijken:"Ons werk opent nu de mogelijkheid om de elektronische structuren van moleculen efficiënt te berekenen met behulp van analoge kwantumsimulatie. Dit zal leiden tot een rijker begrip van de (bio)chemische problemen die moeilijk te onderzoeken zijn met de huidige computers. "