Quanten-Computing
Quantenalgorithmen könnten größere Moleküle untersuchen
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) konnte die Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung am Beispiel eines kleinen Moleküls nach einer Laserpulsanregung berechnen. Nach Ansicht der Experten könnte diese Methode dabei helfen, größere Moleküle zu untersuchen, die mit herkömmlichen Methoden nicht berechnet werden können.
Die Neuentwicklung trägt zur Weiterentwicklung von Quantencomputern bei, die die Rechenzeiten für komplexe Probleme drastisch verkürzen könnten.
Die Forschung wurde in der veröffentlicht Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung.
Entwicklung der Quantenalgorithmen
Annika Bande leitet am HZB eine Gruppe zur Theoretischen Chemie.
„Diese Quantencomputer-Algorithmen wurden ursprünglich in einem völlig anderen Kontext entwickelt. „Wir haben sie hier erstmals eingesetzt, um Elektronendichten von Molekülen zu berechnen, insbesondere auch deren dynamische Entwicklung nach Anregung durch einen Lichtpuls“, sagt Bande.
Fabian Langkabel ist Teil der Gruppe.
„Wir haben einen Algorithmus für einen fiktiven, völlig fehlerfreien Quantencomputer entwickelt und ihn auf einem klassischen Server ausgeführt, um einen Quantencomputer mit zehn Qbits zu simulieren“, sagt Langkabel.
Das Wissenschaftlerteam beschränkte seine Studie auf kleinere Moleküle und konnte so die Berechnungen ohne einen echten Quantencomputer durchführen. Sie könnten sie auch mit herkömmlichen Berechnungen vergleichen.
Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden
Die Quantenalgorithmen liefern die Ergebnisse, nach denen das Team gesucht hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen Berechnungen könnten die Quantenalgorithmen mit künftigen Quantencomputern größere Moleküle berechnen.
„Das hängt mit den Berechnungszeiten zusammen. Sie nehmen mit der Anzahl der Atome zu, aus denen das Molekül besteht“, fährt Langkabel fort.
Bei herkömmlichen Methoden vervielfacht sich die Rechenzeit mit jedem zusätzlichen Atom. Bei Quantenalgorithmen ist dies jedoch nicht der Fall, da sie mit jedem zusätzlichen Atom schneller werden.
Die neue Studie zeigt, wie sich Elektronendichten und ihre „Reaktion“ auf Anregungen mit Licht im Voraus berechnen lassen. Außerdem werden sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösungen verwendet.
Die Methode ermöglicht es, ultraschnelle Zerfallsprozesse, die für Quantencomputer aus „Quantenpunkten“ wichtig sind, zu simulieren und zu verstehen. Es ermöglicht auch Vorhersagen über das physikalische oder chemische Verhalten von Molekülen, das bei der Absorption von Licht und der Übertragung elektrischer Ladungen ablaufen könnte.
All dies erleichtert die Entwicklung von Photokatalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht und ermöglicht einen besseren Einblick in die Prozesse in den lichtempfindlichen Rezeptormolekülen im Auge.
