Att söka efter nya ämnen och utveckla nya tekniker inom den kemiska industrin:uppgifter som ofta accelereras med datorsimuleringar av molekyler eller reaktioner. Men även superdatorer når snabbt sina gränser. Nu har forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching (MPQ) utvecklat ett alternativ, analogt tillvägagångssätt. Ett internationellt team runt Javier Argüello-Luengo, Ph.D. kandidat vid Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO), Ignacio Cirac, Direktör och chef för teoriavdelningen vid MPQ, Peter Zoller, Direktör vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation i Innsbruck (IQOQI), och andra har designat den första ritningen för en kvantsimulator som efterliknar molekylernas kvantkemi. Liksom en arkitektonisk modell kan användas för att testa statiken i en framtida byggnad, en molekylsimulator kan stödja undersökning av molekylers egenskaper. Resultaten publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Genom att använda väte, den enklaste av alla molekyler, som ett exempel, det globala teamet av fysiker från Garching, Barcelona, Madrid, Peking och Innsbruck demonstrerar teoretiskt att kvantsimulatorn kan reproducera beteendet hos en riktig molekyls elektronskal. I sitt arbete, de visar också hur experimentella fysiker kan bygga en sådan simulator steg för steg. "Våra resultat erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka fenomen som förekommer inom kvantkemin, ", säger Javier Argüello-Luengo. Detta är mycket intressant för kemister eftersom klassiska datorer notoriskt kämpar för att simulera kemiska föreningar, eftersom molekyler lyder kvantfysikens lagar. En elektron i sitt skal, till exempel, kan rotera åt vänster och höger samtidigt. I en förening av många partiklar, som en molekyl, antalet av dessa parallella möjligheter multipliceras. Eftersom varje elektron interagerar med varandra, komplexiteten blir snabbt omöjlig att hantera.

Som en väg ut, 1982, den amerikanske fysikern Richard Feynman föreslog följande:Vi borde simulera kvantsystem genom att rekonstruera dem som förenklade modeller i laboratoriet från individuella atomer, som till sin natur är kvantum, och innebär därför en parallellitet mellan möjligheterna som standard. I dag, kvantsimulatorer används redan, till exempel för att imitera kristaller. De har en vanlig, tredimensionellt atomgitter som imiteras av flera korsande laserstrålar, det "optiska gittret". Skärningspunkterna bildar ungefär brunnar i en äggkartong som atomerna fylls i. Interaktionen mellan atomerna kan kontrolleras genom att förstärka eller dämpa strålarna. På så sätt får forskare en variabel modell där de kan studera atomärt beteende mycket exakt.

Den stora konceptuella utmaningen

Vad som nu är nytt är idén att använda en liknande struktur för att simulera en molekyl, vars kemi bestäms av dess elektronskal. I den föreslagna teoretiska modellen, elektriskt neutrala atomer i det optiska gittret antar rollen som elektroner. Atomerna kan röra sig fritt från brunn till brunn i "äggkartongen" liknande elektronerna i skalet på en riktig molekyl. Den stora konceptuella utmaningen för fysikerna att lösa var att elektroner stöter bort varandra på grund av samma elektriska laddning. Detta samspel kallas "Coloumb-interaktionen" och det får effekt även över långa avstånd. Dock, atomerna i "äggkartongen" interagerar bara med sina direkta grannar." Så vad vi dessutom behövde göra var att modellera den karakteristiska minskningen av Coulomb-interaktionen med avståndet mellan de simulerade elektronerna, säger Argüello-Luengo.

För att ta itu med det problemet, forskarna inspirerades av hur Coloumb-interaktionen beskrivs i kvantteorin. Enligt det här, en elektron avger en ljuspartikel (foton) som fångas upp av en annan elektron. Som två personer på rullskridskor, med en kastar en boll till den andra för att fånga den, detta får människorna att glida bort från varandra. Analogt, de två elektronerna stöter bort varandra. Så, forskarna föreslår en liknande mekanism i deras modellerade molekyl. Först, varje brunn i "äggkartongen" är fylld med ytterligare atomer. Var och en av dessa bakgrundsatomer kan exciteras energiskt av bestrålningen av ett laserljus, tillhandahålla mediet för att överföra interaktionen. En exciterad bakgrundsatom skickar energin vidare till sin granne, som ger det vidare till sin granne och så vidare. Excitationen rör sig som en foton genom mediet. "Excitationen sker företrädesvis i de positioner där en av de modellerade elektronerna finns, " förklarar Argüello-Luengo. "Elektronen" och den exciterade bakgrundsatomen stöter bort varandra. Om excitationen som färdas runt möter den andra "elektronen, " repulsionen uppstår också. Så förmedlas effekten. Sannolikheten för ett sådant utbyte minskar med avståndet mellan de två "elektronerna, " som det gör med Coulomb-interaktionen.

Intressant, den föreslagna simulatorn kan också skala upp till större molekyler än väte. I framtiden, människor kommer att kunna använda simuleringarna från en modell som den här föreslagna, jämför den med en konventionell datormodell och justera därefter. Fysikern vågar se framåt:"Vårt arbete öppnar nu för möjligheten att effektivt beräkna molekylers elektroniska strukturer med hjälp av analog kvantsimulering. Detta kommer att utlösa en rikare förståelse för de (bio)kemiproblem som är svåra att utforska med dagens datorer. "