Moleculen zoeken met de kwantumcomputer: ‘Logisch, ze spreken dezelfde taal”

Kwantumcomputers zullen een critical enabler zijn om complexe chemische systemen te simuleren op een industriële schaal, zoals katalyse in de petrochemie. Nog belangrijker is het getrouw modelleren van complexe chemische processen in de basis van veel technologieën met een lage koolstof-intensiteit, zoals fotokatalyse om zonne-energie in te vangen en vast te leggen, of elektrolyse van water om groen waterstof te maken, het invangen en omzetten van CO₂, en de gedeeltelijke oxidatie van methaan tot koolstof en waterstof.

"Moleculen spreken de taal van de kwantummechanica, dus het is logisch dat je een kwantumcomputer gebruikt als je op zoek bent naar nuttige moleculen", meent Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Universiteit Leiden. "Niets gaat boven de moedertaal."

Nu de eerste kwantumcomputers beschikbaar komen, is er een toenemende aandacht voor de ontwikkeling van algoritmes en programma’s die erop kunnen draaien. Hierop spitst de samenwerking met Shell zich toe. Lucas Visscher (VU): "Dit zou een unieke kans zijn om het gedrag van elektronen in belangrijke reacties beter te begrijpen."

Waterstofmolecuul

De onderzoekers hebben al een methode ontwikkeld om met een kwantumcomputer de krachten uit te rekenen tussen de atomen in een molecuul. Als test werd het programma toepast op een simpel systeem (een waterstofmolecuul) met behulp van een kwantumcomputer die collega’s uit Delft gebouwd hebben met supergeleidende elementen.

Kwantumchemieberekening van het waterstofmolecuul 

Plannen voor de toekomst zijn de uitbreiding van dit onderzoek naar eenvoudige modellen van fotochemische processen. "Ik zie de ontwikkeling van algoritmes voor niet-adiabatische kwantumdynamica als een toepassing waar kwantumcomputers spoedig de huidige beperkingen kunnen overwinnen in de beschrijving van belangrijke fotochemische processen die bijvoorbeeld een rol spelen in het gezichtsvermogen", zegt scheikundige Francesco Buda (Leiden).