Kvantové algoritmy by mohly prozkoumat větší molekuly

Tým v Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) byl schopen vypočítat elektronové orbity 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.

Tento nový vývoj pomáhá pokroku kvantových počítačů, které by mohly dramaticky zkrátit časy výpočtu složitých problémů.

Výzkum byl zveřejněn v Journal of Chemical Theory and Computation.

Vývoj kvantových algoritmů

Annika Bande vede skupinu teoretické chemie v HZB.

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

Fabian Langkabel je součástí skupiny.

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

Tým vědců omezil svou studii 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 produkovaly výsledky, které tým hledal. Na rozdíl od konvenčních výpočtů by kvantové algoritmy mohly vypočítat větší molekuly s budoucími kvantovými počítači.

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

U konvenčních metod se doba výpočtu 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 dekayační procesy, které jsou důležité pro kvantové počítače složené z „kvantových teček“. Také umožňuje předpovídat fyzikální nebo chemické chování molekul, které by se mohly vyskytnout během absorpce světla a přenosu elektrických nábojů.

To vše pomáhá usnadnit vývoj fotokatalyzátorů pro výrobu zeleného vodíku se slunečním světlem a poskytuje lepší přehled o procesech v světelně citlivých receptorových molekulách v oku.