Recherche de nouvelles substances et développement de nouvelles techniques dans l'industrie chimique :des tâches qui sont souvent accélérées à l'aide de simulations informatiques de molécules ou de réactions. Mais même les supercalculateurs atteignent rapidement leurs limites. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching (MPQ) ont développé une alternative, approche analogique. Une équipe internationale autour de Javier Argüello-Luengo, doctorat candidat à l'Institut des Sciences Photoniques (ICFO), Ignace Cirac, Directeur et chef du département de théorie au MPQ, Peter Zoller, Directeur à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique d'Innsbruck (IQOQI), et d'autres ont conçu le premier modèle pour un simulateur quantique qui imite la chimie quantique des molécules. Comme un modèle architectural peut être utilisé pour tester la statique d'un futur bâtiment, un simulateur de molécule peut aider à étudier les propriétés des molécules. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique La nature .

En utilisant de l'hydrogène, la plus simple de toutes les molécules, par exemple, l'équipe mondiale de physiciens de Garching, Barcelone, Madrid, Pékin et Innsbruck démontrent théoriquement que le simulateur quantique peut reproduire le comportement de la couche électronique d'une molécule réelle. Dans leur travail, ils montrent également comment les physiciens expérimentateurs peuvent construire un tel simulateur étape par étape. "Nos résultats offrent une nouvelle approche à l'investigation des phénomènes apparaissant en chimie quantique, " dit Javier Argüello-Luengo. C'est très intéressant pour les chimistes car les ordinateurs classiques peinent notoirement à simuler des composés chimiques, car les molécules obéissent aux lois de la physique quantique. Un électron dans sa coquille, par exemple, peut tourner à gauche et à droite simultanément. Dans un composé de plusieurs particules, comme une molécule, le nombre de ces possibilités parallèles se multiplie. Parce que chaque électron interagit les uns avec les autres, la complexité devient vite impossible à gérer.

Comme sortie, en 1982, le physicien américain Richard Feynman a suggéré ce qui suit :nous devrions simuler des systèmes quantiques en les reconstruisant en tant que modèles simplifiés en laboratoire à partir d'atomes individuels, qui sont intrinsèquement quantiques, et donc impliquant un parallélisme des possibilités par défaut. Aujourd'hui, des simulateurs quantiques sont déjà utilisés, par exemple pour imiter des cristaux. Ils ont une régularité, réseau atomique tridimensionnel qui est imité par plusieurs faisceaux laser se croisant, le "réseau optique". Les points d'intersection forment quelque chose comme des puits dans une boîte à œufs dans laquelle les atomes sont remplis. L'interaction entre les atomes peut être contrôlée en amplifiant ou en atténuant les rayons. De cette façon, les chercheurs obtiennent un modèle variable dans lequel ils peuvent étudier très précisément le comportement atomique.

Le grand défi conceptuel

Ce qui est maintenant nouveau, c'est l'idée d'utiliser une structure similaire pour simuler une molécule, dont la chimie est déterminée par sa couche électronique. Dans le modèle théorique proposé, les atomes électriquement neutres dans le réseau optique assument le rôle d'électrons. Les atomes peuvent se déplacer librement de puits en puits dans la "boîte à œufs" semblable aux électrons dans la coquille d'une vraie molécule. Le grand défi conceptuel à résoudre pour les physiciens était que les électrons se repoussent en raison de leur même charge électrique. Cette interaction s'appelle "l'interaction de Coloumb" et elle prend effet même sur de longues distances. Cependant, les atomes dans la "boîte à œufs" n'interagissent qu'avec leurs voisins directs. ", explique Argüello-Luengo.

Pour s'attaquer à ce problème, les chercheurs se sont inspirés de la façon dont l'interaction de Coloumb est décrite dans la théorie quantique. Selon ce, un électron émet une particule lumineuse (photon) qui est captée par un autre électron. Comme deux personnes en patins à roulettes, avec l'un lançant une balle à l'autre pour l'attraper, cela pousse les gens à s'éloigner les uns des autres. De manière analogue, les deux électrons se repoussent. Donc, les chercheurs suggèrent un mécanisme similaire dans leur molécule modélisée. D'abord, chaque puits dans la "carton d'oeufs" est rempli d'atomes supplémentaires. Chacun de ces atomes de fond peut être excité énergétiquement par l'irradiation d'une lumière laser, fournir le support pour transmettre l'interaction. Un atome de fond excité transmet l'énergie à son voisin, qui le transmet à son voisin et ainsi de suite. L'excitation se déplace comme un photon à travers le milieu. "L'excitation se produit de préférence dans les positions où se trouve l'un des électrons modélisés, " explique Argüello-Luengo. L'"électron" et l'atome de fond excité se repoussent. Si l'excitation qui se déplace rencontre le deuxième "électron, " la répulsion se produit également. C'est ainsi que l'effet est médié. La probabilité d'un tel échange diminue avec la distance entre les deux " électrons, " comme c'est le cas avec l'interaction de Coulomb.

De façon intéressante, le simulateur suggéré peut également évoluer jusqu'à des molécules plus grosses que l'hydrogène. À l'avenir, les gens pourront utiliser les simulations d'un modèle comme celui proposé, comparez-le à un modèle informatique conventionnel et ajustez-le en conséquence. Le physicien ose regarder vers l'avenir :« Nos travaux ouvrent désormais la possibilité de calculer efficacement les structures électroniques des molécules à l'aide de la simulation quantique analogique. Cela déclenchera une meilleure compréhension des problèmes de (bio)chimie difficiles à explorer avec les ordinateurs d'aujourd'hui. "