Eine aktuelle Studie hat aufgezeigt, wie sich verschiedene Methoden zur Simulation molekularer Schwingungen – die für das Verständnis der Lichtabsorption und -emission von Molekülen wichtig sind – auf verschiedene lichtbasierte Simulatoren mit unterschiedlicher Komplexität abbilden lassen. Jan-Lucas Eickmann und seine Kollegen führten die Arbeit in Zusammenarbeit mit HQS Quantum Simulations im Rahmen des PhoQuant-Projekts durch. Die Forschung wurde von Dr. Michael Stefszky und Prof. Christine Silberhorn am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn geleitet.
Ihre Studie zeigt, dass optische Simulatoren traditionelle Methoden der computergestützten Chemie auf eine stark strukturierte und vorhersagbare Weise nachbilden können. Sie haben aufgezeigt, dass es eine „Leiter“ lichtbasierter Simulationsmethoden gibt, wobei jede Stufe bekannten Näherungsverfahren aus der Chemie entspricht, die als lineare Kopplung (oder lineare Näherung), parallele Näherung und Duschinsky-Näherung bekannt sind.
Selbst mit der einfachsten Version der vorgestellten lichtbasierten Simulationsansätze (d. h. linearer Kopplung) gelang es ihnen, die spektralen Signaturen mehrerer Moleküle in Experimenten erfolgreich nachzubilden und ihre Messungen mit numerischen Simulationen der ausgefeilteren lichtbasierten Simulationsmethoden, d. h. der parallelen und der Duschinsky-Näherung, zu vergleichen. „Ich war überrascht zu sehen, dass viele Moleküle bereits mit dem einfacheren Ansatz der linearen Kopplung ausreichend gut beschrieben werden können. Wir haben eine hohe experimentelle Genauigkeit erreicht, indem wir Squeezing-Effekte und Interferometer-Unvollkommenheiten vermieden und optische Verluste kompensiert haben“, kommentierte Jan-Lucas die Ergebnisse.
Die Forscher konnten nicht nur zeigen, dass viele Moleküle bereits mit dem einfachsten Ansatz gut modelliert werden können, sondern identifizierten auch Moleküle, die tatsächlich fortgeschrittenere photonische Simulatoren erfordern. Durch die Stärkung dieses interdisziplinären Verständnisses hoffen die Forscher, neue, spannende Anwendungsmöglichkeiten für lichtbasierte Simulatoren zu finden.
J.-L. Eickmann, et al., Bridging chemistry and Gaussian boson sampling: a photonic hierarchy of approximations for molecular vibronic spectra, npj Quantum Information (2026); DOI: doi.org/10.1038/s41534-026-01250-x
