Kwantumalgoritmes kunnen grotere moleculen onderzoeken

Een team bij Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) kon de elektronenbanen en hun dynamische ontwikkeling berekenen met behulp van een klein molecuul na excitatie door een laserpuls. Volgens de experts kan deze methode helpen om grotere moleculen te onderzoeken die niet kunnen worden berekend met conventionele methoden.

De nieuwe ontwikkeling helpt bij de vooruitgang van kwantumcomputers, die de berekenings­tijden voor complexe problemen drastisch kunnen verkorten.

Het onderzoek werd gepubliceerd in de Journal of Chemical Theory and Computation.

Ontwikkeling van de kwantumalgoritmes

Annika Bande leidt een groep theoretische chemie bij HZB.

“Deze kwantumcomputer­algoritmes werden oorspronkelijk ontwikkeld in een compleet andere context. We gebruikten ze hier voor het eerst om elektronendichtheden van moleculen te berekenen, in het bijzonder ook hun dynamische evolutie na excitatie door een lichtpuls,” zegt Bande.

Fabian Langkabel maakt deel uit van de groep.

“We ontwikkelden een algoritme voor een fictieve, compleet foutloze kwantumcomputer en voerden het uit op een klassieke server die een kwantumcomputer van tien Qbits simuleerde,” zegt Langkabel.

Het team van wetenschappers beperkte hun onderzoek tot kleinere moleculen, waardoor ze de berekeningen konden uitvoeren zonder een echte kwantumcomputer. Ze konden ze ook vergelijken met conventionele berekeningen.

Voordelen ten opzichte van conventionele methoden

De kwantumalgoritmes produceren de resultaten die het team zocht. In tegenstelling tot conventionele berekeningen kunnen de kwantumalgoritmes grotere moleculen berekenen met toekomstige kwantumcomputers.

“Dit heeft te maken met de berekenings­tijden. Ze nemen toe met het aantal atomen dat het molecuul vormt,” vervolgt Langkabel.

Bij conventionele methoden neemt de berekenings­tijd toe met elk extra atoom. Maar dit is niet het geval voor kwantumalgoritmes, want die worden sneller met elk extra atoom.

De nieuwe studie toont aan hoe elektronendichtheden en hun “reactie” op excitaties met licht van tevoren kunnen worden berekend. Het gebruikt ook zeer hoge ruimtelijke en temporele resoluties.

De methode maakt het mogelijk om ultrafast decay-processen te simuleren en te begrijpen, die belangrijk zijn voor kwantumcomputers bestaande uit “kwantumpunten”. Het maakt het ook mogelijk om voorspellingen te doen over het fysieke of chemische gedrag van moleculen, dat kan plaatsvinden tijdens de absorptie van licht en de overdracht van elektrische ladingen.

Alles bij elkaar helpt het bij de ontwikkeling van fotokatalysatoren voor de productie van groene waterstof met zonlicht en biedt het een beter inzicht in de processen in de lichtgevoelige receptor-moleculen in het oog.