Kwantumalgoritmes kunnen grotere moleculen onderzoeken

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

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

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

Ontwikkeling van de Kwantumalgoritmes

Annika Bande leidt een groep op het gebied van theoretische chemie bij HZB.

“Deze kwantumcomputeralgoritmes zijn oorspronkelijk ontwikkeld in een compleet andere context. We hebben ze hier voor het eerst gebruikt om de 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 hebben een algoritme ontwikkeld voor een fictieve, compleet foutloze kwantumcomputer en hebben het uitgevoerd op een klassieke server die een kwantumcomputer van tien Qbits simuleert”, 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 deel uitmaakt van de molecule”, vervolgt Langkabel.

Wanneer het gaat om conventionele methoden, neemt de berekeningstijd toe met elk extra atoom. Maar dit is niet het geval voor kwantumalgoritmes, omdat ze sneller worden 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 temporale resoluties.

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

Alles hielp bij het faciliteren van de ontwikkeling van fotokatalysatoren voor de productie van groene waterstof met zonlicht, en het geeft een beter inzicht in de processen in de lichtgevoelige receptor moleculen in het oog.