Busca de novas substâncias e desenvolvimento de novas técnicas na indústria química:tarefas que costumam ser aceleradas por meio de simulações computacionais de moléculas ou reações. Mas mesmo os supercomputadores atingem rapidamente seus limites. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching (MPQ) desenvolveram uma alternativa, abordagem analógica. Uma equipe internacional em torno de Javier Argüello-Luengo, Ph.D. candidato no Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), Ignacio Cirac, Diretor e Chefe do Departamento de Teoria do MPQ, Peter Zoller, Diretor do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica em Innsbruck (IQOQI), e outros projetaram o primeiro projeto de um simulador quântico que imita a química quântica das moléculas. Como um modelo arquitetônico pode ser usado para testar a estática de um futuro edifício, um simulador de molécula pode apoiar a investigação das propriedades das moléculas. Os resultados agora estão publicados na revista científica Natureza .

Usando hidrogênio, a mais simples de todas as moléculas, como um exemplo, a equipe global de físicos de Garching, Barcelona, Madrid, Pequim e Innsbruck teoricamente demonstram que o simulador quântico pode reproduzir o comportamento da camada de elétrons de uma molécula real. Em seu trabalho, eles também mostram como os físicos experimentais podem construir tal simulador passo a passo. "Nossos resultados oferecem uma nova abordagem para a investigação de fenômenos que aparecem na química quântica, "diz Javier Argüello-Luengo. Isso é altamente interessante para os químicos porque os computadores clássicos notoriamente lutam para simular compostos químicos, como as moléculas obedecem às leis da física quântica. Um elétron em sua camada, por exemplo, pode girar para a esquerda e para a direita simultaneamente. Em um composto de muitas partículas, como uma molécula, o número dessas possibilidades paralelas se multiplica. Como cada elétron interage um com o outro, a complexidade rapidamente se torna impossível de lidar.

Como uma saída, em 1982, o físico americano Richard Feynman sugeriu o seguinte:Devemos simular sistemas quânticos reconstruindo-os como modelos simplificados em laboratório a partir de átomos individuais, que são inerentemente quânticos, e, portanto, implicando um paralelismo das possibilidades por padrão. Hoje, simuladores quânticos já estão em uso, por exemplo, para imitar cristais. Eles têm um regular, rede atômica tridimensional que é imitada por vários feixes de laser que se cruzam, a "rede óptica". Os pontos de interseção formam algo como poços em uma caixa de ovos em que os átomos são colocados. A interação entre os átomos pode ser controlada pela amplificação ou atenuação dos raios. Dessa forma, os pesquisadores ganham um modelo de variável no qual podem estudar o comportamento atômico com muita precisão.

O grande desafio conceitual

O que agora é novo é a ideia de usar uma estrutura semelhante para simular uma molécula, cuja química é determinada por sua camada de elétrons. No modelo teórico proposto, átomos eletricamente neutros na rede óptica assumem o papel de elétrons. Os átomos podem se mover livremente de um poço para outro na "caixa do ovo", semelhante aos elétrons na casca de uma molécula real. O grande desafio conceitual a ser resolvido pelos físicos era que os elétrons se repeliam por causa de sua mesma carga elétrica. Essa interação é chamada de "interação Coloumb" e tem efeito mesmo em longas distâncias. Contudo, os átomos na "caixa de ovo" apenas interagem com seus vizinhos diretos. "Portanto, o que ainda precisávamos fazer era modelar a diminuição característica da interação de Coulomb com a distância entre os elétrons simulados, "diz Argüello-Luengo.

Para resolver esse problema, os pesquisadores se inspiraram em como a interação do Coloumb é descrita na teoria quântica. De acordo com isso, um elétron emite uma partícula de luz (fóton) que é capturada por outro elétron. Como duas pessoas de patins, com um jogando uma bola para o outro para pegá-la, isso faz com que as pessoas se afastem umas das outras. Analogamente, os dois elétrons se repelem. Então, os pesquisadores sugerem um mecanismo semelhante em sua molécula modelada. Primeiro, cada poço na "caixa de ovos" é preenchido com átomos adicionais. Cada um desses átomos de fundo pode ser energeticamente excitado pela irradiação de uma luz laser, fornecer o meio para transmitir a interação. Um átomo de fundo animado passa a energia para seu vizinho, que passa adiante para seu vizinho e assim por diante. A excitação se move como um fóton através do meio. "A excitação ocorre preferencialmente nas posições onde um dos elétrons modelados está localizado, "explica Argüello-Luengo. O" elétron "e o átomo de fundo excitado se repelem. Se a excitação que viaja encontra o segundo" elétron, "a repulsão também ocorre. É assim que o efeito é mediado. A probabilidade de tal troca diminui com a distância entre os dois" elétrons, "como acontece com a interação de Coulomb.

Interessantemente, o simulador sugerido também pode aumentar para moléculas maiores do que o hidrogênio. No futuro, as pessoas poderão usar as simulações de um modelo como este sugerido, compare-o com um modelo de computador convencional e ajuste-o de acordo. O físico se atreve a olhar para a frente:"Nosso trabalho agora abre a possibilidade de calcular com eficiência as estruturas eletrônicas das moléculas usando a simulação quântica analógica. Isso desencadeará uma compreensão mais rica dos problemas (bio) químicos que são difíceis de explorar com os computadores de hoje. "