Mithilfe Künstlicher Intelligenz die Bewegungsenergie molekularer Quantensysteme vorhersagen

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Verfahren der Künstlichen Intelligenz sollen es ermöglichen, die kinetische Energie von Elektronen in Molekülen auf der Grundlage ihrer Elektronendichte vorherzusagen. Das ist Anliegen eines interdisziplinären Forschungsvorhabens an der Universität Heidelberg, das an der Schnittstelle von Chemie, Physik und KI-Forschung angesiedelt ist. Ziel des Projekts „Quantenchemie ohne Wellenfunktion“ ist es, künftig die Eigenschaften viel komplexerer Systeme vorherzusagen als dies bislang möglich ist. Initiiert wurde das Projekt von Prof. Dr. Fred Hamprecht und Prof. Dr. Andreas Dreuw vom Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen sowie Prof. Dr. Maurits W. Haverkort vom Institut für Theoretische Physik. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert die Forschungsarbeiten mit mehr als 745.000 Euro für einen Zeitraum von zwei Jahren.
In der klassischen Physik wird die kinetische Energie von Körpern mit der Formel Masse mal Geschwindigkeit im Quadrat berechnet. Auf der Ebene von Molekülen ist dies jedoch nicht so einfach, wie Projektleiter Fred Hamprecht hervorhebt. Sie bestehen aus positiv geladenen Atomkernen, die mit den sie umgebenden, negativ geladenen Elektronen in Wechselwirkung stehen. Hier ist die Bewegungsenergie der Elektronen abhängig von dem Raum, der ihnen zur Verfügung steht: je kleiner der Raum, desto größer die kinetische Energie. Ihre Berechnung erfordert eine komplizierte Beschreibung mit einer „Wellenfunktion“, die von den Koordinaten aller Elektronen zugleich abhängt. Theoretisch ist es nach Angaben der Heidelberger Forscher möglich, die Gesamtenergie auch aus der viel einfacheren Gesamtdichte der Elektronen abzuleiten. Eine ausreichend genaue Formel für die kinetische Energie, mit der dies gelingen könnte, gibt es bislang jedoch nicht.
Im Rahmen des von der Carl-Zeiss-Stiftung geförderten Projekts „Quantenchemie ohne Wellenfunktion“ wollen Prof. Hamprecht, Prof. Dreuw und Prof. Haverkort Verfahren der Künstlichen Intelligenz anwenden, um auf diesem Weg allein auf der Grundlage der Elektronendichte die kinetische Energie von Elektronen in Molekülen vorherzusagen. Ohne eine komplizierte Beschreibung mit einer „Wellenfunktion“ können damit auch komplexe molekulare Systeme quantenmechanisch untersucht werden. Fred Hamprecht forscht zu Verfahren der Künstlichen Intelligenz für die Naturwissenschaften, aktuell insbesondere für die Quantenchemie. Mithilfe von modernen computergestützten und quantenchemischen Methoden geht Andreas Dreuw grundlegenden chemischen und physikalischen Fragestellungen nach. Ziel der Forschungsarbeiten von Maurits W. Haverkort ist es, auf der Basis von neuen theoretischen Methoden und Modellen die Eigenschaften komplexer Quantensysteme und Quantenmaterialien vorherzusagen.
Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Vorhaben „Quantenchemie ohne Wellenfunktion“ im Rahmen ihres Programms „CZS Wildcard“. Damit unterstützt die Stiftung interdisziplinäre und unkonventionelle Forschungsprojekte in den MINT-Disziplinen, die sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befinden und an denen mindestens drei Wissenschaftlerinnen oder Wissenschaftler beteiligt sind.
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