Quantencomputer-Algorithmus könnte zur Entwicklung neuer Materialien führen

Ein Team von Forschern an der Columbia University hat einen neuen Algorithmus entwickelt, der es Quantencomputern ermöglichen könnte, molekulare Energien zu berechnen und so zur Entwicklung neuer Materialien beitragen könnte. Der Algorithmus nutzt die meisten Quantenbits bisher, um die Grundzustandenergie zu berechnen, also den Zustand mit der niedrigsten Energie in einem quantenmechanischen System.

Die neue Studie wurde in Nature veröffentlicht.

Berechnung der Grundzustandenergie

Der Algorithmus wurde von dem Chemieprofessor David Reichman und dem Postdoktoranden Joonho Lee sowie Forschern bei Google (GOOGL ) Quantum AI entwickelt. Er reduziert die statistischen Fehler, die durch Quantenbits in chemischen Gleichungen entstehen, und nutzt bis zu 16 Qubits auf Googles 53-Qubit-Sycamore-Computer, um die Grundzustandenergie zu berechnen, also den niedrigsten Energiezustand eines Moleküls.

„Dies sind die größten Quantenchemie-Berechnungen, die jemals auf einem realen Quantencomputer durchgeführt wurden“, sagte Reichman.

Durch die Fähigkeit, die Grundzustandenergie genau zu berechnen, können Chemiker neue Materialien entwickeln. Zum Beispiel könnte der Algorithmus verwendet werden, um Materialien zu entwerfen, die die Stickstofffixierung für die Landwirtschaft beschleunigen. Dies ist nur eines der vielen möglichen Anwendungen im Bereich der Nachhaltigkeit, laut Lee, der als Gastforscher bei Google Quantum AI tätig ist.

Der Algorithmus basiert auf einem Quanten-Monte-Carlo-Verfahren, einem System von Methoden zur Berechnung von Wahrscheinlichkeiten, wenn es viele zufällige, unbekannte Variablen gibt. Die Forscher setzten den Algorithmus ein, um die Grundzustandenergie von drei Arten von Molekülen zu bestimmen.

Es gibt viele Variablen, die die Grundzustandenergie beeinflussen können, wie die Anzahl der Elektronen in einem Molekül, die Richtung ihres Spins und die Pfade, die sie um einen Atomkern herum beschreiben. Die elektronische Energie ist in der Schrödinger-Gleichung kodiert, die auf einem klassischen Computer sehr schwer zu lösen ist, wenn Moleküle größer werden. Es gibt jedoch Methoden, um dies zu vereinfachen, und Quantencomputer könnten dieses exponentielle Skalierungsproblem letztendlich umgehen.

Behandlung größerer und komplexerer Berechnungen

Grundsätzlich sollte es möglich sein, dass Quantencomputer größere und komplexere Berechnungen durchführen können, da Qubits die Vorteile von Quantenzuständen nutzen. Qubits können gleichzeitig in zwei Zuständen existieren, was bei binären Ziffern nicht der Fall ist. Gleichzeitig sind Qubits jedoch zerbrechlich, und mit zunehmender Anzahl von Qubits verringert sich die Genauigkeit des Endergebnisses. Lee entwickelte den neuen Algorithmus, um die kombinierte Leistung von klassischen und Quantencomputern zu nutzen, um diese komplexen Gleichungen effizienter zu lösen und gleichzeitig Fehler zu minimieren.

„Es ist das Beste aus beiden Welten“, sagte Lee. „Wir nutzten Werkzeuge, die wir bereits hatten, sowie solche, die als State-of-the-Art im Bereich der Quanteninformationswissenschaft gelten, um die Quantencomputationalchemie zu verfeinern“, sagte Lee.

Der vorherige Rekord für die Lösung der Grundzustandenergie basierte auf 12 Qubits und einer Methode, die als Variational Quantum Eigensolver (VQE) bekannt ist. Das Problem mit VQE ist, dass es die Auswirkungen von wechselwirkenden Elektronen nicht berücksichtigte, was für die Berechnung der Grundzustandenergie von entscheidender Bedeutung ist. Laut Lee könnten virtuelle Korrelationstechniken von klassischen Computern hinzugefügt werden, um Chemikern bei der Behandlung noch größerer Moleküle zu helfen.

Die neuen hybriden klassisch-quantenmechanischen Berechnungen zeigten eine Genauigkeit, die mit einigen der besten klassischen Methoden vergleichbar ist, was darauf hindeutet, dass komplexe Probleme mit einem Quantencomputer genauer und schneller gelöst werden könnten.

„Die Machbarkeit der Lösung größerer und herausfordernderer chemischer Probleme wird mit der Zeit nur zunehmen“, sagte Lee. „Dies gibt uns Hoffnung, dass die entwickelten Quantentechnologien praktisch nützlich sein werden.“