100 年前、シュレディンガー方程式は量子物理学に光を当てました – 科学者は今日、化学反応を制御するためにそれを使用しています

あなたが毎日扱う物体は予測可能です。箱を持ち上げたり、床に落ちずに椅子に座ったり、ハンドルに手を通さずにドアを開けたりすることができます。しかし、これらのオブジェクトを量子レベルまでズームダウンして、個々の原子を観察すると、物事が少し奇妙に動作し始めることがわかります。

量子オブジェクトの一般的なサイズはナノメートル、つまり 10 億分の 1 メートルです。スケールとしては、人間の髪の毛の幅は 60,000 ～ 100,000 ナノメートルです。ナノスケールでは、粒子が空間内のどこにあるかを正確に知ることはできません。粒子がどこにあるかの確率を計算することしかできません。

量子レベルでは、粒子は波のような挙動を示します。粒子は、小さな個別のオブジェクトではなく、連続波のように動作します。粒子の空間内での位置などの基本的な特性を含む粒子の特性は、確率の観点から定義されます。粒子がどこにあるかを正確に知ることはできませんが、空間の特定の領域で粒子が見つかる可能性を推定することはできます。これらの確率はシュレディンガー方程式を使用して計算でき、その解は波動関数と呼ばれます。

約 1 世紀前の 1926 年に、オーストリアの物理学者エルヴィン シュレディンガーは波動方程式を開発しました。これにより、粒子が波動関数から特定の特性を示す確率を計算できるようになりました。

人間の目では何が起こっているかを量子スケールで分析することはできませんが、そのレベルで粒子がどのように動作するかは、世界を体験する方法に影響を与えます。それは植物に緑色を与え、コンピューティングと情報技術の基盤を提供し、多くの日常的な物質がどのように機能するかを制御します。

波動方程式と波動関数

私は理論化学者であり、シュレディンガーの 100 年前の革命的な方程式が私の研究プロジェクトの多くの基礎となっています。彼らは、特定の化学物質の原子が相互に反応するときにどのように再配置されるかを調べます。このような小規模な化学反応を観察することは、研究者がより効率的な反応を開発するのに役立ち、バイオ燃料の作成から太陽エネルギー技術の開発まで、あらゆることに役立ちます。

原子が量子レベルでどのように振る舞うかは、分子や材料が持つ特性を決定するため、それらの波動関数を理解することが不可欠であり、シュレディンガーの定式化はこの目的のために広く使用されるようになりました。科学者は、研究室でリソースを最も有望な反応に集中できるように、研究室で直接分子を合成して特性評価する前に、これらの波動関数を計算しようとします。

ただし、シュレーディンガー方程式は、スーパーコンピューターであっても、最大 5 個または 6 個の原子からなる最小分子を除いてすべて正確に解くことは不可能です。これは、分子が大きくなると波動関数の計算の難易度が指数関数的に増加するためです。したがって、量子粒子ごとに 10 ビットの情報を計算する必要がある場合、相互作用する 2 つの粒子には 100 ビット、3 つの粒子には 1,000 ビットというように必要になります。

分子やより大きな材料の特性を予測するために、研究者は近似の波動関数を見つけることができる方法を開発しました。これらの技術は、科学者が、たとえば、より優れた日焼け止め、太陽電池、生分解性プラスチック、薬物送達用のナノ粒子などに使用する、特定の望ましい特性を備えた新しい分子や材料を設計するのに役立ちます。

現在では、確立された商用ソフトウェアまたは無料ソフトウェアを使用して、電子のシュレーディンガー方程式を解くことができます。対象の分子がそれほど大きくない場合 (数十個の原子程度)、その分子の安定性や吸収する光の波長などの情報をすぐに計算できます。

しかし、これらのツールには限界があります。より大きな分子に存在する量子効果を理解するには、同僚と私が開発している特殊なツールのセットが必要です。

化学反応における量子効果

量子トンネリングと呼ばれる量子レベルで作用する効果は、特定の化学反応の進行方法を変える可能性があります。波動関数ソリューションでは、この効果が考慮されています。

多くの化学反応では、反応物と呼ばれる最初の分子セットは、原子が反応生成物に再配置されるときにエネルギー障壁を克服する必要があります。通常、このタイプの反応は、反応物が障壁を乗り越えてエネルギーを製品側に放出できるほど加熱された場合にのみ発生します。

しかし、量子レベルでの反応では、分子の総エネルギーがエネルギー障壁よりも小さい場合でも、分子が反応できる可能性があります。この現象は量子トンネル効果と呼ばれます。低温で軽い原子が存在する場合、これが反応を起こす唯一の方法である可能性があります。軽い粒子は波動関数が空間に広がり、量子効果を示す可能性が高くなります。

最も軽い原子核は水素原子にあり、これらは量子トンネリングを最も起こしやすいものです。水素原子が化学反応に関与している場合、科学者はこのトンネリング特性を利用して、反応に関する特定の詳細を知ることができます。彼らは、一部の水素原子を重水素と呼ばれるより重いバージョンに置き換えることによってこれを行います。重水素は原子核内に中性子を持っていますが、水素には中性子がありません。そのため、重水素は 2 倍重くなり、トンネルを通過する能力が低くなります。

量子トンネル実験

2022 年、私と同僚は、わらや草などの持続可能な生物資源をガソリンやディーゼルなどの液体燃料に変えるプロセスの一部である反応の水素原子移動を調査しました。私たちの量子計算では、1 つの水素原子がトンネリングしており、これにより反応効率が向上したことがわかりました。トンネルされた原子は、たとえ低エネルギー入力でも反応が起こることを意味しました。時間が経つにつれて、この小さな要因が実際の効率の向上につながりました。

私たちの研究は、反応する分子にわずかな変更を加える（水素を重水素に切り替える）ことで、エネルギー障壁のサイズが増加し、トンネル効果がどのように停止するかを説明しました。このような量子の挙動の癖により、一見小さな変化でも反応が完全に停止する可能性があります。

将来の量子アプリケーション

量子コンピューターなど、粒子の量子の挙動を利用する技術応用の中には、真に未来的なものもあります。量子コンピューターは最終的には、非常に要求の厳しい計算問題を通常のコンピューターよりもはるかに速く解決できるようになるでしょう。

現在、量子コンピューターの初期のプロトタイプしかありません。これは、部屋ほどの大きさの初期のコンピューターとは異なり、大型で非常に複雑な実験マシンです。

おそらく量子コンピューターは、いつか科学者が数千の原子で構成される分子のシュレーディンガー方程式を解くのに役立ち、より優れた分子、材料、技術を設計できるようになるかもしれません。