Kvantové algoritmy by mohly prozkoumat větší molekuly

Tým z Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) se podařilo vypočítat elektronové orbitály a jejich dynamický vývoj na příkladu malé molekuly po excitaci laserovým pulsem. Podle odborníků by tato metoda mohla pomoci prozkoumat větší molekuly, které nelze vypočítat pomocí konvenčních metod.

Nový vývoj pomáhá pokroku kvantových počítačů, které by mohly dramaticky zkrátit výpočetní časy pro složitá problémem.

Výzkum byl zveřejněn v Journal of Chemical Theory and Computation.

Vývoj kvantových algoritmů

Annika Bande vede skupinu teoretické chemie na HZB.

“Tyto kvantové počítačové algoritmy byly původně vyvinuty v úplně jiném kontextu. Zde je poprvé použijeme pro výpočet elektronových hustot molekul, zejména jejich dynamického vývoje po excitaci světelným pulsem,” říká Bande.

Fabian Langkabel je součástí týmu.

“Vyvinuli jsme algoritmus pro fiktivní, completely bezchybný kvantový počítač a spustili jsme ho na klasickém serveru, který simuluje kvantový počítač s deseti Qbity,” říká Langkabel.

Tým vědců omezil své studie na menší molekuly, což jim umožnilo provést výpočty bez skutečného kvantového počítače. Mohli je také porovnat s konvenčními výpočty.

Výhody oproti konvenčním metodám

Kvantové algoritmy produkují výsledky, které tým hledal. Na rozdíl od konvenčních výpočtů by kvantové algoritmy mohly vypočítat větší molekuly s budoucími kvantovými počítači.

“To souvisí s výpočetními časy. Ty se zvyšují s počtem atomů, které tvoří molekulu,” pokračuje Langkabel.

U konvenčních metod se výpočetní čas násobí s každým dalším atomem. To však neplatí pro kvantové algoritmy, které se stávají rychlejšími s každým dalším atomem.

Nová studie demonstruje, jak vypočítat elektronové hustoty a jejich “reakci” na excitace světlem dopředu. Také používá velmi vysoké prostorové a časové rozlišení.

Metoda umožňuje simulovat a pochopit ultra rychlé rozpadové procesy, které jsou důležité pro kvantové počítače složené z “kvantových bodů”. Také umožňuje dělat předpovědi o fyzikálním nebo chemickém chování molekul, které by mohly nastat během absorpce světla a přenosu elektrických nábojů.

To vše pomáhá usnadnit vývoj fotokatalyzátorů pro produkci zeleného vodíku se slunečním světlem a poskytuje lepší vhled do procesů v světelně citlivých receptorových molekulách v oku.