100 Jahre Quantenchemie: Eine persönliche Perspektive

Prof. Frank Neese reflektiert anlässlich des internationalen Jahres der Quantenwissenschaft über Vergangenheit und Zukunft der Quantenchemie

Prof. Frank Neese reflektiert über die Entwicklungen der Quantenchemie und die Rolle von KI in der Zukunft, betont die Bedeutung von wissenschaftlichem Verständnis.

Was hat die Quantenchemie in fast einem Jahrhundert erreicht und wohin entwickelt sie sich? Frank Neese, Geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, teilt seine persönlichen Gedanken dazu in einem Perspektivartikel, der zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft der Vereinten Nationen veröffentlicht wurde.

1929 wagte Paul Dirac, einer der Begründer der Quantenmechanik, eine kühne Vorhersage: Die grundlegenden Gesetze der Chemie seien bereits bekannt, doch der Versuch sie zu lösen führe zu Gleichungen, die zu komplex sind, um sie zu berechnen. Aus dieser Sicht lassen sich alle chemischen Fragen beantworten, sobald genügend Rechenleistung zur Verfügung steht. In gewisser Weise gibt die Geschichte Dirac recht. Im Laufe der Jahrzehnte hat sich die Quantenchemie von einfachen Modellen chemischer Bindungen zu komplexen Algorithmen, mit denen sich Systeme mit tausenden von Atomen berechnen lassen, weiterentwickelt.

Rechenleistung alleine, so Neese, ist jedoch nur ein Teil der Wahrheit. „2013 wurde es erstmals möglich, ein komplettes Protein mit Hunderten oder sogar Tausenden von Atomen quantenchemisch zu berechnen. Das war ein großer Meilenstein“, sagt er. „Aber wir haben dadurch nichts Neues über das Protein gelernt.“ In der realen Chemie spielen Lösungsmittel, Entropie und die flexible Gestalt von Molekülen eine ebenso entscheidende Rolle wie elektronische Energien, sind aber schwerer zu erfassen. Daher zählt der Umgang mit konformationeller Komplexität heute zu den großen Herausforderungen des Fachgebiets, nachdem das Problem der Näherungslösung der Schrödinger-Gleichung für große Moleküle weitgehend gelöst ist.

Ebenso zentral ist das Gleichgewicht zwischen Zahlen und Verständnis. Präzise Vorhersagen sind wertvoll, können ein echtes Verständnis aber nicht ersetzen. Vereinfachte Modelle bleiben unverzichtbar, weil sie Chemikerinnen und Chemikern eine Sprache geben, um kreativ zu denken, Experimente zu entwerfen und neue Ideen zu entwickeln.

Die Zukunft der Quantenchemie im Zeitalter der künstlichen Intelligenz

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen entwickeln sich rasant und könnten das Fach in Zukunft nachhaltig prägen. Noch können sie physikbasierte Methoden nicht vollständig ersetzen, vielleicht werden sie es auch nie können, doch ihr Fortschritt ist bemerkenswert. Allerdings verlieren KI Modelle dort an Genauigkeit, wo sie den Bereich ihrer eigenen Trainingsdaten verlassen. Neese erwartet daher eine Zukunft, in der klassische und KI-basierte Ansätze nebeneinander bestehen und sich gegenseitig ergänzen. Besonders im Bereich der Code-Generierung könnte KI deutlich tiefgreifender wirken. Es sei vorstellbar, so Neese, dass zukünftige quantenchemische Programme vollständig von KI entworfen und optimiert werden und damit die wissenschaftliche Softwareentwicklung grundlegend verändern.

„All diese neuen Methoden und mächtigen Werkzeuge sind unglaublich spannend, aber wir dürfen nie die wissenschaftliche Grundlage unseres Handelns vergessen“, betont Neese. „Wir müssen kritisch bleiben, Ergebnisse hinterfragen und uns der Grenzen bewusst sein. Mit dieser Haltung wird die theoretische Chemie ein lebendiges und dynamisches Forschungsfeld bleiben, das für die moderne Wissenschaft unverzichtbar ist.“