Kvanttialgoritmit voivat tutkia suurempia molekyylejä

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) -tiimin onnistui laskea elektronien orbitaaleja ja niiden dynaaminen kehitys laserisäteilyn jälkeen pienellä molekyylillä. Asiantuntijoiden mukaan tämä menetelmä voisi auttaa tutkimalla suurempia molekyylejä, joita ei voida laskea perinteisin menetelmin.

Uusi kehitys edistää kvanttitietokoneiden kehittämistä, mikä voisi leikata merkittävästi laskentaaikaa monimutkaisissa ongelmissa.

Tutkimus julkaistiin Journal of Chemical Theory and Computation -julkaisussa.

Kvanttialgoritmien kehittäminen

Annika Bande johtaa teoreettisen kemian ryhmää HZB:ssä.

“Nämä kvanttitietokonealgoritmit kehitettiin alun perin täysin eri kontekstissa. Käytimme niitä tässä ensimmäisen kerran laskemaan molekyylien elektronitiheyttä, erityisesti myös niiden dynaamista kehitystä valon impulsin jälkeen”, Bande sanoo.

Fabian Langkabel on osa ryhmää.

“Kehittimme algoritmin kuvitteelliselle, täysin virheettömälle kvanttitietokoneelle ja suoritimme sen klassisella palvelimella, joka simuloiti kvanttitietokonetta kymmenellä Q-bittillä”, Langkabel sanoo.

Tutkijaryhmä rajoitti tutkimuksensa pienempiin molekyyleihin, mikä mahdollisti laskelmien suorittamisen ilman oikeaa kvanttitietokonetta. He voivat myös vertailla niitä perinteisten laskelmien kanssa.

Edut perinteisiin menetelmiin verrattuna

Kvanttialgoritmit tuottavat tulokset, joita tiimi etsi. Toisin kuin perinteiset laskelmat, kvanttialgoritmit voivat laskea suurempia molekyylejä tulevaisuuden kvanttitietokoneilla.

“Tämä liittyy laskentaaikoihin. Ne kasvavat atomejen määrän mukaan, jotka muodostavat molekyylin”, Langkabel jatkaa.

Perinteisissä menetelmissä laskentaaika moninkertaistuu kunkin lisäatomin myötä. Tämä ei kuitenkaan ole kvanttialgoritmien tapausta, sillä ne nopeutuvat kunkin lisäatomin myötä.

Uusi tutkimus osoittaa, miten elektronitiheyksiä voidaan laskea etukäteen ja miten niiden “vastaus” valon impulssien aiheuttamaan säteilyyn voidaan laskea. Se käyttää myös erittäin korkeaa paikallista ja aikasuhteellista resoluutiota.

Menetelmä mahdollistaa ultra-nopeiden hajoamisprosessien simuloimisen ja ymmärtämisen, jotka ovat tärkeitä kvanttitietokoneille, jotka koostuvat “kvanttipisteistä”. Se mahdollistaa myös ennusteen fyysisestä tai kemiallisesta käyttäytymisestä molekyyleissä, jotka voivat tapahtua valon absorboidun ja sähkövarauksen siirron aikana.

Kaikki tämä auttaa edistämään valofotokatalyyttien kehittämistä vihreän vetykaasun tuottamiseksi auringon valolla, ja se antaa paremman ymmärryksen prosesseista valonherkkien reseptorimolekyylissä silmässä.