جدول المحتويات:

كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تعيد صنع الكيمياء
كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تعيد صنع الكيمياء
فيديو: كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تعيد صنع الكيمياء
فيديو: Quantum Computing الحوسبة الكمية 2023, شهر فبراير
Anonim

سوف يرتقي بالنمذجة الجزيئية إلى مستوى جديد من الدقة ، مما يقلل من اعتماد الباحثين على الصدفة.

كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تعيد صنع الكيمياء
كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تعيد صنع الكيمياء

في مسيرتي المهنية ككيميائي ، أدين بدين كبير للصدفة. في عام 2012 ، كنت في المكان المناسب (مختبر أبحاث Almaden التابع لشركة IBM في كاليفورنيا) في الوقت المناسب - وفعلت الشيء "الخطأ". كان من المفترض أن أقوم بخلط ثلاثة مكونات في دورق على أمل الكشف بشكل منهجي عن مجموعة من المواد الكيميائية ، وهذا يعني استبدال إحدى المواد الكيميائية بنسخة مشتقة من النفايات البلاستيكية ، في محاولة لزيادة استدامة البوليمرات المتصلدة بالحرارة.

بدلاً من ذلك ، عندما قمت بخلط اثنين من الكواشف معًا ، تشكلت مادة بلاستيكية صلبة بيضاء في الدورق. كان الأمر صعبًا لدرجة أنني اضطررت إلى تحطيم الكأس لإخراجه. علاوة على ذلك ، عندما تجلس في حمض مخفف طوال الليل ، عادت إلى مواد البداية. بدون قصد ، اكتشفت عائلة جديدة كاملة من البوليمرات الحرارية القابلة لإعادة التدوير. لو كنت أعتبرها تجربة فاشلة ولم أتابعها ، لما عرفنا أبدًا ما قمنا به. كانت الصدفة العلمية في أفضل حالاتها ، وفقًا للتقليد النبيل لروي بلانكيت ، الذي اخترع التفلون بالصدفة أثناء عمله على كيمياء غازات المبرد.

اليوم ، لدي هدف جديد: تقليل الحاجة إلى الصدفة في الاكتشاف الكيميائي. تطرح الطبيعة بعض التحديات الحقيقية في العالم ، من أزمة المناخ المستمرة إلى دعوة إيقاظ COVID-19. هذه التحديات هي ببساطة أكبر من أن تعتمد على الصدفة. الطبيعة معقدة وقوية ، وعلينا أن نكون قادرين على نمذجة بدقة إذا أردنا تحقيق التقدم العلمي الضروري.

على وجه التحديد ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على فهم طاقة التفاعلات الكيميائية بمستوى عالٍ من الثقة إذا أردنا دفع مجال الكيمياء إلى الأمام. هذه ليست رؤية جديدة ، لكنها تسلط الضوء على قيد رئيسي: التنبؤ الدقيق بسلوك حتى الجزيئات البسيطة يتجاوز قدرات حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر.

هذا هو المكان الذي تقدم فيه الحوسبة الكمومية إمكانية حدوث تقدم كبير في السنوات القادمة. تتطلب نمذجة التفاعلات النشطة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية تقديرات تقريبية ، لأنها لا تستطيع نمذجة السلوك الكمي للإلكترونات على حجم نظام معين. يقلل كل تقريب من قيمة النموذج ويزيد من حجم العمل المخبري الذي يتعين على الكيميائيين القيام به للتحقق من صحة النموذج وتوجيهه. ومع ذلك ، فإن الحوسبة الكمومية هي الآن في النقطة التي يمكن أن تبدأ فيها بنمذجة الطاقة وخصائص الجزيئات الصغيرة مثل هيدريد الليثيوم ، مما يوفر إمكانية النماذج التي ستوفر مسارات أكثر وضوحًا للاكتشاف مما لدينا الآن.

إرث الكيمياء الكمية

بالطبع ، كيمياء الكم كمجال ليس بالأمر الجديد. في أوائل القرن العشرين ، أظهر الكيميائيون الألمان مثل والتر هيتلر وفريتز لندن أن الرابطة التساهمية يمكن فهمها باستخدام ميكانيكا الكم. في أواخر القرن العشرين ، كان النمو في قوة الحوسبة المتاحة للكيميائيين يعني أنه من العملي القيام ببعض النمذجة الأساسية على الأنظمة الكلاسيكية.

ومع ذلك ، عندما كنت أحصل على درجة الدكتوراه. في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في كلية بوسطن ، كان من النادر نسبيًا أن يكون لدى كيميائيي مقاعد البدلاء معرفة عملية بنوع النمذجة الكيميائية التي كانت متاحة عبر الأساليب الحسابية مثل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). كانت التخصصات (ومجموعات المهارات المتضمنة) متعامدة. بدلاً من استكشاف رؤى DFT ، تمسك الكيميائيون البدلاء بأساليب منهجية مقترنة بالأمل في اكتشاف متعلم ولكنه غالبًا ما يكون محظوظًا. كنت محظوظًا بما يكفي للعمل في المجموعة البحثية للبروفيسور أمير حويدة ، الذي كان في وقت مبكر يدرك قيمة الجمع بين البحث التجريبي والبحث النظري.

عدم وجود بيانات دقيقة

اليوم ، أصبح البحث النظري ونمذجة التفاعلات الكيميائية لفهم النتائج التجريبية أمرًا شائعًا ، حيث أصبح الانضباط النظري أكثر تعقيدًا وبدأ كيميائيو مقاعد البدلاء تدريجياً في دمج هذه النماذج في عملهم. يوفر إخراج النماذج حلقة تغذية مرتدة مفيدة لاكتشافها في المختبر. لنأخذ مثالاً واحدًا ، فقد سمح انفجار البيانات الكيميائية المتاحة من الفرز عالي الإنتاجية بإنشاء نماذج كيميائية متطورة. تشمل الاستخدامات الصناعية لهذه النماذج اكتشاف الأدوية وتجريب المواد.

ومع ذلك ، فإن العامل المحدد لهذه النماذج هو الحاجة إلى التبسيط. في كل مرحلة من مراحل المحاكاة ، يجب عليك اختيار منطقة معينة حيث تريد تقديم حل وسط بشأن الدقة من أجل البقاء ضمن حدود ما يمكن للكمبيوتر التعامل معه عمليًا. في مصطلحات المجال ، أنت تعمل مع نماذج "خشنة الحبيبات" - حيث تقوم عن عمد بتبسيط العناصر المعروفة للتفاعل من أجل إعطاء الأولوية للدقة في المناطق التي تبحث فيها. يقلل كل تبسيط من الدقة الكلية لنموذجك ويحد من فائدته في السعي وراء الاكتشاف. بصراحة ، كلما كانت بياناتك أكثر خشونة ، زادت كثافة العمل في المختبر.

النهج الكمي مختلف. تتيح لك الحوسبة الكمومية ، في أنقى صورها ، نمذجة الطبيعة كما هي ؛ لا تقريبية. في كلمات ريتشارد فاينمان التي كثيرًا ما يتم اقتباسها ، "الطبيعة ليست كلاسيكية ، اللعنة ، وإذا كنت تريد عمل محاكاة للطبيعة ، فمن الأفضل أن تجعلها ميكانيكية كمومية."

لقد شهدنا تطورات سريعة في قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية في السنوات الأخيرة. ضاعفت شركة IBM حجمها الكمي ليس مرة واحدة ولكن مرتين في عام 2020 وهي في طريقها للوصول إلى حجم كمي يزيد عن 1000 ، مقارنة بالأرقام المكونة من رقم واحد في عام 2016. كما قدم آخرون في الصناعة ادعاءات جريئة حول قوة وقدرات أجهزتهم.

حتى الآن ، قمنا بتوسيع استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لنمذجة الطاقات المتعلقة بالحالات الأرضية والحالات المثارة للجزيئات. ستقودنا هذه الأنواع من الحسابات إلى أن نكون قادرين على استكشاف المناظر الطبيعية لطاقة التفاعل والجزيئات المتفاعلة مع الصور. بالإضافة إلى ذلك ، اكتشفنا استخدامها لنمذجة العزم ثنائي القطب في الجزيئات الصغيرة ، وهي خطوة في اتجاه فهم التوزيع الإلكتروني واستقطاب الجزيئات ، والتي يمكن أن تخبرنا أيضًا بشيء عن كيفية تفاعلها.

بالنظر إلى المستقبل ، فقد بدأنا في وضع الأساس للنمذجة المستقبلية للأنظمة الكيميائية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية واستكشفنا أنواعًا مختلفة من الحسابات على أنواع مختلفة من الجزيئات القابلة للذوبان على جهاز كمبيوتر كمي اليوم. على سبيل المثال ، ماذا يحدث عندما يكون لديك إلكترون غير مزدوج في النظام؟ هل تفقد الحسابات الدقة ، وكيف يمكننا تعديل الخوارزمية لجعلها تتطابق مع النتائج المتوقعة؟ سيمكننا هذا النوع من العمل من النظر في يوم من الأيام إلى الأنواع المتطرفة ، والتي قد يكون من الصعب تحليلها في المختبر أو محاكاتها بشكل كلاسيكي.

من المؤكد أن هذا العمل قابل للتكرار على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. ومع ذلك ، لم يكن أي من ذلك ممكنًا مع التكنولوجيا الكمومية التي كانت موجودة قبل خمس سنوات. يبشر التقدم الذي تم إحرازه في السنوات الأخيرة بأن الحوسبة الكمومية يمكن أن تعمل كمحفز قوي لاكتشاف المواد الكيميائية في المستقبل القريب.

الكمي يلتقي الكلاسيكية

لا أتصور مستقبلًا حيث يقوم الكيميائيون ببساطة بإدخال الخوارزميات في جهاز كمي ويتم إعطاؤهم مجموعة واضحة من البيانات لاكتشافها الفوري في المختبر. ما هو ممكن - وربما يكون ممكنًا بالفعل - هو دمج النماذج الكمية كخطوة في العمليات الحالية التي تعتمد حاليًا على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

في هذا النهج ، نستخدم الطرق الكلاسيكية للجزء المكثف حسابيًا من النموذج. يمكن أن يشمل ذلك إنزيمًا أو سلسلة بوليمر أو سطحًا معدنيًا. ثم نطبق طريقة كمومية لنمذجة تفاعلات متميزة - مثل الكيمياء في جيب الإنزيم ، والتفاعلات الواضحة بين جزيء المذيب وسلسلة البوليمر ، أو الترابط الهيدروجين في جزيء صغير. سنظل نقبل التقريبات في أجزاء معينة من النموذج ولكننا نحقق دقة أكبر بكثير في الأجزاء الأكثر تميزًا من التفاعل. لقد أحرزنا بالفعل تقدمًا مهمًا من خلال دراسة إمكانية تضمين حساب البنية الإلكترونية الكمية في بيئة محسوبة بشكل كلاسيكي تم الحصول عليها على مستوى نظرية Hartree-Fock (HF) أو DFT.

إن التطبيقات العملية لتطوير هذا النهج عديدة ومؤثرة. يمكن أن تساعد التطورات السريعة في مجال سلاسل البوليمر في معالجة مشكلة التلوث البلاستيكي ، الذي ازداد حدة منذ أن خفضت الصين وارداتها من المواد القابلة لإعادة التدوير. تظل تكاليف الطاقة لإعادة تدوير البلاستيك المحلية مرتفعة نسبيًا ؛ إذا تمكنا من تطوير مواد بلاستيكية يسهل إعادة تدويرها ، فيمكننا إحداث تأثير كبير في النفايات البلاستيكية. خارج مجال البلاستيك ، أصبحت الحاجة إلى مواد ذات انبعاثات كربونية أقل أكثر إلحاحًا ، والقدرة على تصنيع مواد مثل وقود الطائرات والخرسانة ذات البصمة الكربونية الأصغر أمر بالغ الأهمية لتقليل إجمالي الانبعاثات العالمية.

نمذجة المستقبل

يقدم الجيل القادم من الكيميائيين الناشئين من مدارس الخريجين في جميع أنحاء العالم مستوى من طلاقة البيانات لم يكن من الممكن تصوره في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. لكن القيود على هذه الطلاقة مادية: أجهزة الكمبيوتر المبنية بشكل كلاسيكي لا يمكنها ببساطة التعامل مع مستوى تعقيد المواد الشائعة مثل الكافيين. في هذه الديناميكية ، لا يمكن لأي قدر من طلاقة البيانات أن يغني عن الحاجة إلى الصدفة: ستعمل في عالم تحتاج فيه إلى الحظ في صفك لتحقيق إنجازات مهمة. لذلك فإن تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية واحتضانها أمر بالغ الأهمية لممارسة الكيميائيين في المستقبل.

هذه مقالة رأي وتحليل.

شعبية حسب الموضوع