Universiteit Leiden

nl en

Nieuwe moleculen ontwerpen

Zelfs een kleine quantumcomputer zou in staat moeten zijn om de eigenschappen en het gedrag van nieuwe moleculen exact te simuleren. Dit zou de chemie naar een nieuw niveau tillen. Betere zonnepanelen, krachtiger batterijen, grote energiebesparingen in de chemische industrie: de toepassingen hebben het potentieel om de maatschappij te veranderen.

Alleen sommige bacteriën, niet planten, hebben de zogeheten stikstofbinding onder de knie gekregen: stikstofgas (N2) uit de lucht halen en met water omzetten in ammonia (NH3). Dit is een primaire bouwstof, direct of indirect, voor al het leven op aarde. Zoals alle biologische processen wordt stikstofbinding mogelijk gemaakt door een specifiek enzym, waarvan een molecuul genaamd FeMoco het hart vormt.

Simuleren

Wij mensen maken elk jaar 175 miljoen ton ammonia uit stikstof uit de lucht en aardgas, vooral om kunstmest te produceren. Maar dit chemische proces werkt alleen bij zeer hoge druk en temperatuur. Als we precies begrepen hoe FeMoco werkt, konden we onze eigen versie van dat molecuul ontwerpen, voor stikstofbinding op industriële schaal bij kamertemperatuur en lage druk. Dat zou enorme hoeveelheden energie en CO2-uitstoot schelen.

Daarom stelden Zwitserse quantum chemici in 2016 voor om FeMoco als eerste molecuul te simuleren op een quantumcomputer. Dat is precies waar Thomas O’Brien, universitair docent aan het LION (Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde) nu aan werkt: ‘Deze toepassing alleen al zou miljarden euro’s opbrengen. Het zou de definitieve doorbraak zijn voor de quantumcomputer.’

Het kwantumcircuit van een kwantumcomputer is dan wel heel klein, maar de machine die je nodig hebt om het circuit af te koelen, is gigantisch.
Het kwantumcircuit van een kwantumcomputer is dan wel heel klein, maar de machine die je nodig hebt om het circuit af te koelen, is gigantisch.

Op het lijf geschreven

Een groot molecuul simuleren houdt in, dat je het krachtenspel doorrekent van alle elektronen die zich vrij kunnen bewegen tussen de atomen waaruit het molecuul bestaat. Het molecuul hangt in feite samen vanwege dit krachtenspel, en z’n chemische eigenschappen worden er door bepaald. Dit zogeheten elektron struktuur probleem is voor klassieke computers onmogelijk gecompliceerd, zelfs als het molecuul uit maar een paar atomen bestaat.

Maar dit soort berekeningen zijn quantumcomputers juist op het lijf geschreven. Volgens O’Brien heb je maar ongeveer evenveel qubits nodig als er vrije elektronen in het molecuul zijn. Voor FeMoco is dat getal ongeveer 120.  Prototypes van quantum systemen met enige tientallen qubits zijn nu al operationeel. O’Brien and zijn groep werken momenteel samen met QuTech, een groot samenwerkingsverband van quantum fysici aan de TU Delft, om te verkennen hoe zulke kleine quantum systemen te gebruiken zijn voor quantum chemie.

Werkende prototypes

Deze kleine quantumsystemen hebben nog niet genoeg qubits om te functioneren als een volwaardige, ‘universele’ quantumcomputer. Dat vergt duizenden qubits, en de eerste zal waarschijnlijk pas over een jaar of tien gebouwd worden. Maar vanwege de speciale eigenschappen van het elektron-structuur probleem, denken O’Brien en zijn collega’s bij het Leids Instituut voor Chemie en aan de VU Amsterdam, dat ze veel sneller vooruitgang kunnen boeken: ‘We hebben al protoypes van algoritmes ontworpen, en die laten draaien op echte quantum hardware, samen met onze collega’s aan de TU Delft.’  

Als ze er in slagen om het FeMoco-molecuul te simuleren, is er geen reden waarom ze niet ook allerlei andere moleculen zouden kunnen simuleren die maatschappelijk relevant zijn. Als je eenmaal precies weet hoe zonlicht elektronen door silicium en andere halfgeleiders stuurt, is er een goede kans dat je efficiëntere zonnecellen kunt ontwerpen. Hetzelfde geldt voor katalysatoren die chemische reacties de goede kant op sturen, of nuttige biomoleculen. O’Brien: ‘Ik weet zeker dat er nog andere dingen gaan opduiken, waar niemand nog aan gedacht heeft.’

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie