IBM ve Lockheed Martin bünyesindeki araştırmacılar, uzun süredir klasik hesaplamada bir engel teşkil eden 'açık kabuklu' moleküllerden metilenin elektronik yapısını doğru şekilde modellemeyi başardı. Yüksek performanslı hesaplama ile kuantum hesaplamayı bir araya getiren bilim insanları, bu çalışmada Örnek Tabanlı Kuantum Diyagonalizasyon (SQD) yöntemini kullanarak açık kabuklu sistemlerde bir ilki gerçekleştirdi. Söz konusu çalışma, SQD tekniğinin açık kabuk sistemlerdeki ilk başarılı uygulaması olarak kayda geçti.
KUANTUMUN YENİ UFUKLARI
Kuantum hesaplama, günümüzdeki en hızlı süper bilgisayarların dahi baş edemeyeceği hızlarda işlem yapma potansiyeline sahip. Moleküllerin kuantum durumlarını kuantum bitleri (qubit) olarak kullanabilen bu sistemler, klasik hesaplamanın ötesine geçerek yepyeni araştırma alanlarının kapısını aralıyor. Bu bağlamda kuantum kimyası, moleküller arasındaki etkileşimlerin daha derinlemesine anlaşılmasını sağlayarak endüstriyel uygulamalardan malzeme araştırmalarına kadar pek çok alanda verimliliği artırabilecek bir bilim dalı olarak öne çıkıyor.
Ancak bu alandaki en büyük zorluklardan biri, güçlü elektron korelasyonlarına sahip kimyasal sistemleri simüle etmek. Mevcut klasik yöntemlerle bu sistemleri hesaplamak mümkün olsa da, gereken hesaplama gücü, sisteme dahil olan elektron sayısıyla birlikte üssel biçimde artıyor.
AÇIK KABUKLU ZORLUKLAR
Simülasyonlardaki zorluk, özellikle bir veya daha fazla eşleşmemiş elektron içeren 'açık kabuklu sistemler' söz konusu olduğunda daha da belirginleşiyor. Kapalı kabuklu moleküller kararlı ve basit dalga fonksiyonlarıyla temsil edilebilirken, açık kabuklu moleküller reaktif, manyetik özellikler sergileyebilen ve birden fazla dalga fonksiyonu gerektiren yapılar sergiliyor. Bu durum, onların hesaplanmasını son derece karmaşık hale getiriyor.
IBM ve Lockheed Martin araştırmacıları, bu zorluğu metilen molekülü üzerinden ele aldı. Kimyada karben olarak da bilinen metilen (CH₂), sadece üç atomdan oluşmasına rağmen yüksek düzeyde karmaşıklık içeriyor. Temel durumunda, karbon atomunun dış kabuğunda paralel spinlere sahip iki eşleşmemiş elektron bulunuyor ve bu yapı 'üçlü durum' olarak adlandırılıyor. Bu oldukça enerjik bir haldir ve molekül çoğunlukla bu biçimde varlık göstermez.
TEKİL VE ÜÇLÜ DURUMLAR
Metilenin 'karben singlet' olarak bilinen uyarılmış durumu ise karbon üzerindeki iki elektronun zıt spinlerle eşleştiği, bir orbitalin boş kaldığı yapıdan oluşur. İlginç olan ise, üçlü durumun singlet durumdan daha düşük enerjiye sahip olmasıdır. Bu istisnai durum, metilenin kimyasal tepkimelerde nasıl davranacağını anlamak açısından büyük önem taşır. Moleküllerin bir durumdan diğerine nasıl geçtiğini anlamak, bilim insanlarının bu molekülleri katalizörlerle etkileşim, uyarılmış durumları algılama ya da havacılık uygulamaları gibi çeşitli alanlarda nasıl kullanabileceğini öngörmesine olanak tanır.
Araştırmacılar, IBM’in kuantum merkezli süper hesaplama çerçevesi altında, yüksek performanslı bilgi işlem gücünü kuantum işlemcilerle birleştirerek metilenin tekli ve üçlü durumlarını, ayrışma enerjilerini ve enerji boşluklarını hesapladı. Bu yaklaşım, karmaşık sistemleri modelleme noktasında yeni bir çığır açtı.
ENDÜSTRİYE AÇILAN KAPI
Metilen gibi moleküller, özellikle havacılık ve yanma kimyası açısından büyük öneme sahiptir. Araştırmacılar, bu molekülün davranışını doğru şekilde anlayarak daha verimli ve çevreci motor tasarımlarının önünü açabilecek bilgiye ulaşmayı hedefliyor. Aynı zamanda bu çalışma, kuantum hesaplamanın günümüzde pratik olarak nasıl kullanılabileceğine dair somut bir örnek sunuyor.
Sonuç olarak, metilenin kuantum hesaplamayla modellenmesi, sadece bir bilimsel başarı olarak değil, aynı zamanda hesaplamanın geleceği açısından da bir dönüm noktası olarak değerlendiriliyor. Açık kabuklu sistemlerin kuantum teknolojileriyle simüle edilmesi, ileri düzey malzeme bilimi ve kimya anlayışının temellerini yeniden şekillendirebilir.
HESAPLAMANIN GELECEĞİNE IŞIK
IBM ve Lockheed Martin'in ortak çalışması, kuantum hesaplamanın klasik yöntemlerle ulaşılamayan bilimsel sorulara nasıl yanıt verebileceğini ortaya koyarken, yeni nesil teknolojilere giden yolda da güçlü bir kilometre taşı olarak kayıtlara geçti.
