Quanten-Algorithmen 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. Laut den Experten könnte diese Methode helfen, größere Moleküle zu untersuchen, die mit herkömmlichen Methoden nicht berechnet werden können.

Die neue Entwicklung hilft dabei, Quantencomputer voranzutreiben, die die Rechenzeiten für komplexe Probleme drastisch reduzieren könnten.

Die Forschung wurde im Journal of Chemical Theory and Computation veröffentlicht.

Entwicklung der Quanten-Algorithmen

Annika Bande leitet eine Gruppe für theoretische Chemie am HZB.

“Diese Quantencomputer-Algorithmen wurden ursprünglich in einem völlig anderen Kontext entwickelt. Wir haben sie hier zum ersten Mal verwendet, um die Elektronendichten von Molekülen zu berechnen, insbesondere auch ihre 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 simuliert, der einen Quantencomputer mit zehn Qubits simuliert”, sagt Langkabel.

Das Team von Wissenschaftlern beschränkte seine Studie auf kleinere Moleküle, was es ihnen ermöglichte, die Berechnungen ohne einen echten Quantencomputer durchzuführen. Sie konnten sie auch mit herkömmlichen Berechnungen vergleichen.

Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden

Die Quanten-Algorithmen liefern die Ergebnisse, die das Team suchte. Im Gegensatz zu herkömmlichen Berechnungen könnten die Quanten-Algorithmen größere Moleküle mit zukünftigen Quantencomputern berechnen.

“Das hat mit den Rechenzeiten zu tun. Sie erhöhen sich mit der Anzahl der Atome, die das Molekül bilden”, fährt Langkabel fort.

Bei herkömmlichen Methoden multipliziert sich die Rechenzeit mit jedem zusätzlichen Atom. Bei Quanten-Algorithmen ist dies jedoch nicht der Fall, da sie mit jedem zusätzlichen Atom schneller werden.

Die neue Studie zeigt, wie man Elektronendichten und ihre “Reaktion” auf Anregungen mit Licht im Voraus berechnen kann. Sie verwendet auch sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösungen.

Die Methode ermöglicht es, ultra-schnelle Zerfallsprozesse zu simulieren und zu verstehen, die für Quantencomputer aus “Quantenpunkten” wichtig sind. Sie ermöglicht auch Vorhersagen über das physikalische oder chemische Verhalten von Molekülen, die während der Absorption von Licht und der Übertragung von elektrischen Ladungen auftreten können.

All dies hilft bei der Entwicklung von Photokatalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht und gibt einen besseren Einblick in die Prozesse in den lichtempfindlichen Rezeptormolekülen im Auge.