Kwantumchemie: moleculen simuleren met de wetten van het allerkleinste
Kwantumchemie is het vakgebied waarin wetenschappers de kwantummechanica gebruiken om te berekenen hoe atomen en moleculen zich gedragen. Dat klinkt abstract, maar de kern is simpel: elektronen, de deeltjes die atomen aan elkaar binden tot moleculen, gedragen zich niet als kleine knikkers maar volgens de vreemde regels van de kwantumfysica. Ze bevinden zich niet op één vaste plek, maar in een soort waarschijnlijkheidswolk, en hun energie kan alleen bepaalde, 'gekwantiseerde' waarden aannemen. Wie precies wil weten waarom een molecuul stabiel is, welke kleur een verfstof heeft of hoe een medicijn aan een eiwit bindt, moet dus reken aan die kwantumregels.
Een bruikbare analogie: stel een molecuul voor als een enorm ingewikkeld orkest, waarbij elk elektron een muzikant is die niet alleen naar de dirigent luistert, maar ook voortdurend reageert op wat alle andere muzikanten tegelijk spelen. Om te voorspellen welk geluid dat orkest maakt, moet je in feite alle onderlinge interacties tegelijk doorrekenen. Voor een klein orkest (een klein molecuul, zoals water) is dat met gewone computers goed te doen. Maar hoe groter het orkest, hoe explosiever het aantal interacties toeneemt — en dat is precies waarom kwantumchemie een van de rekenkundig zwaarste takken van de wetenschap is, en waarom onderzoekers steeds vaker kijken naar kwantumcomputers om dit soort problemen aan te pakken.
Wat is het precies?
Aan de basis van kwantumchemie staat de Schrödingervergelijking, een wiskundige beschrijving uit de jaren twintig van de vorige eeuw die aangeeft hoe elektronen zich in een molecuul gedragen. Het probleem is dat deze vergelijking voor alles behalve de allersimpelste systemen (zoals een enkel waterstofatoom) niet exact op te lossen is. Chemici gebruiken daarom benaderingsmethoden.
De bekendste benadering is dichtheidsfunctionaaltheorie, afgekort DFT. In plaats van elk elektron apart te volgen, kijkt DFT naar de totale 'elektronendichtheid' in een molecuul: een soort wolkkaart van waar elektronen zich waarschijnlijk bevinden. Dat maakt de berekening veel lichter, tegen de prijs van iets minder nauwkeurigheid. DFT wordt uitgevoerd met gespecialiseerde software zoals Gaussian, ORCA, VASP of Quantum ESPRESSO, die op gewone supercomputers draaien.
Een nauwkeurigere maar veel zwaardere aanpak is de zogeheten ab initio-methode (Latijn voor 'vanaf het begin'), zoals de Hartree-Fock-methode en verfijningen daarop. Deze houden wél rekening met de exacte interacties tussen elektronen, maar de rekentijd loopt exponentieel op naarmate een molecuul groter wordt. Een molecuul met honderd elektronen simuleren op deze manier is met de krachtigste klassieke supercomputers vaak al onbegonnen werk.
Dit is de reden dat onderzoekers kwantumcomputers inzetten. Een kwantumcomputer rekent met qubits, die net als elektronen in een kwantumtoestand kunnen verkeren (een combinatie van meerdere waarden tegelijk, 'superpositie' genoemd). Het idee, voor het eerst geopperd door natuurkundige Richard Feynman in de jaren tachtig, is dat je een kwantumsysteem het beste kunt simuleren met een ander kwantumsysteem. In de praktijk gebruikt men hiervoor algoritmes zoals de Variational Quantum Eigensolver (VQE) en Quantum Phase Estimation (QPE), die de laagste energietoestand van een molecuul proberen te vinden — de sleutel tot het voorspellen van chemische eigenschappen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is nauwkeuriger en sneller kunnen voorspellen hoe stoffen zich gedragen, zonder ze eerst in een laboratorium te hoeven maken. Dat scheelt tijd, geld en grondstoffen. Enkele concrete toepassingsgebieden:
Medicijnontwikkeling: voorspellen hoe een kandidaat-molecuul aan een eiwit bindt, voordat het duur en langdurig in een laboratorium wordt getest.
Batterijen en energie: nieuwe materialen ontwerpen voor batterijen, zonnecellen of katalysatoren die chemische reacties versnellen, bijvoorbeeld voor de productie van kunstmest of waterstof.
Materiaalonderzoek: het voorspellen van eigenschappen van nieuwe legeringen, polymeren of supergeleiders voordat ze fysiek gemaakt worden.
De onderliggende belofte van kwantumcomputers in dit veld is dat ze op termijn problemen kunnen aanpakken die voor klassieke computers, hoe krachtig ook, principieel onhaalbaar zijn omdat de rekentijd exponentieel toeneemt met de grootte van het molecuul.
Voorbeelden uit de praktijk
Google Quantum AI (2020): onderzoekers publiceerden in het tijdschrift Science een experiment waarbij hun supergeleidende Sycamore-processor werd gebruikt om Hartree-Fock-berekeningen uit te voeren aan ketens van waterstofatomen en de isomerisatie van het molecuul diazeen. Het was een van de eerste keren dat een kwantumcomputer een chemische reactie simuleerde, zij het op zeer kleine schaal.
IBM (2017): onderzoekers demonstreerden met een supergeleidende kwantumprocessor een 'hardware-efficiënte' versie van het VQE-algoritme, waarmee de grondtoestandsenergie van kleine moleculen zoals waterstof, lithiumhydride en berylliumhydride werd berekend. Deze publicatie geldt als een mijlpaal voor praktisch bruikbare kwantumchemie-algoritmes.
Microsoft Azure Quantum Elements (2023): Microsoft lanceerde een clouddienst die AI, klassieke supercomputers en (op termijn) kwantumcomputers combineert om chemie- en materiaalonderzoek te versnellen, gericht op bedrijven en onderzoeksinstellingen.
IBM en Cleveland Clinic (vanaf 2021): een meerjarig samenwerkingsverband waarbij een IBM-kwantumcomputer op locatie werd geïnstalleerd bij deze Amerikaanse zorginstelling, onder meer voor onderzoek naar eiwitvouwing en geneesmiddelenontwikkeling.
Klassieke kwantumchemie in de industrie: ook zonder kwantumcomputer wordt DFT-software als Gaussian en VASP al decennialang dagelijks gebruikt door chemische bedrijven en universiteiten wereldwijd om reacties, katalysatoren en materialen te doorgronden — het fundament waarop de nieuwere kwantumcomputertoepassingen voortbouwen.
Hoe ver is de techniek?
De klassieke, op gewone computers gebaseerde kwantumchemie is volwassen technologie: DFT en verwante methoden worden al tientallen jaren routinematig gebruikt in onderzoek en industrie, met erkenning tot op het hoogste niveau — Walter Kohn en John Pople ontvingen in 1998 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun bijdragen aan respectievelijk DFT en computationele chemie in het algemeen, en Martin Karplus, Michael Levitt en Arieh Warshel kregen in 2013 de Nobelprijs voor het combineren van klassieke en kwantummechanische modellen.
Het gebruik van kwantumcomputers voor chemie staat daarentegen nog in de kinderschoenen. Huidige kwantumcomputers hebben te weinig qubits en te veel rekenfouten om molecuul van praktisch relevante grootte (met tientallen tot honderden atomen) nauwkeurig te simuleren. Deze fase wordt vaak aangeduid als het NISQ-tijdperk (Noisy Intermediate-Scale Quantum): apparaten met enkele tientallen tot een paar honderd qubits, zonder volledige foutcorrectie. Tot dusver is er geen gedocumenteerd geval waarin een kwantumcomputer een chemieprobleem sneller of nauwkeuriger heeft opgelost dan de beste klassieke methoden op relevante schaal — de gedemonstreerde simulaties betreffen kleine, ook klassiek al oplosbare moleculen. Experts schatten dat pas met foutgecorrigeerde kwantumcomputers, die mogelijk nog jaren tot mogelijk meer dan een decennium op zich laten wachten, echt praktisch bruikbare doorbraken haalbaar zijn. Onzeker blijft ook hoeveel foutvrije qubits daarvoor precies nodig zijn; schattingen in de vakliteratuur lopen uiteen.
Wie werken eraan?
Aan de kwantumcomputerkant investeren grote techbedrijven zoals IBM, Google en Microsoft in zowel de hardware als de algoritmes voor kwantumchemie. Gespecialiseerde kwantumcomputerbedrijven als IonQ, Quantinuum en het Franse Pasqal noemen chemie en materiaalonderzoek expliciet als beoogde toepassing, evenals PsiQuantum, dat werkt aan een foutgecorrigeerde kwantumcomputer op basis van licht.
Op onderzoeksgebied spelen universiteiten en nationale instituten een grote rol, waaronder QuTech in Delft (een samenwerking tussen de TU Delft en TNO), het Duitse Max Planck Instituut, en Amerikaanse nationale laboratoria zoals Lawrence Berkeley en Oak Ridge. Ook farmaceutische en chemische bedrijven, zoals Boehringer Ingelheim en Merck, financieren onderzoek naar kwantumchemie-toepassingen, vaak in samenwerking met de genoemde kwantumcomputerbedrijven. Landen als de Verenigde Staten, China, Duitsland en Nederland hebben daarnaast nationale kwantumprogramma's waarin chemie een van de aangewezen toepassingsgebieden is.