Kvantumalgoritmer kan undersøke større molekyler

Et team ved Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) kunne beregne elektronbaner og deres dynamiske utvikling på eksemplet av en liten molekyl etter en laserpuls-eksitasjon. Ifølge ekspertene kunne denne metoden hjelpe med å undersøke større molekyler som ikke kan beregnes med konvensjonelle metoder. 

Den nye utviklingen hjelper med å fremme kvantecomputere, som kunne kutte beregnings tidene for komplekse problemer drastisk. 

Forskningen ble publisert i Journal of Chemical Theory and Computation.

Utvikling av kvantumalgoritmer

Annika Bande leder en gruppe på teoretisk kjemi ved HZB. 

“Disse kvantecomputer-algoritmer ble opprinnelig utviklet i en helt annen kontekst. Vi brukte dem her for første gang til å beregne elektron-tettheter av molekyler, særlig også deres dynamiske utvikling etter eksitasjon av et lyspuls,” sier Bande. 

Fabian Langkabel er en del av gruppen.

“Vi utviklet en algoritme for en fiktiv, helt feilfri kvantecomputer og kjørte den på en klassisk server som simulerer en kvantecomputer på ti Q-biter,” sier Langkabel. 

Forskergruppen begrenset studien sin til mindre molekyler, noe som gjorde det mulig for dem å utføre beregningene uten en ekte kvantecomputer. De kunne også sammenligne dem med konvensjonelle beregninger. 

Fordeler over konvensjonelle metoder

Kvantumalgoritmer produserer resultater som teamet lette etter. I motsetning til konvensjonelle beregninger kunne kvantumalgoritmer beregne større molekyler med fremtidige kvantecomputere. 

“Dette har å gjøre med beregnings tidene. De øker med antallet atomer som utgjør molekylet,” fortsetter Langkabel. 

Når det gjelder konvensjonelle metoder, øker beregnings tiden med hver ekstra atom. Men dette er ikke tilfelle for kvantumalgoritmer, da de blir raskere med hver ekstra atom. 

Den nye studien demonstrerer hvordan man kan beregne elektron-tettheter og deres “respons” på eksitasjoner med lys på forhånd. Den bruker også svært høye romlige og tidsmessige oppløsninger. 

Metoden gjør det mulig å simulere og forstå ultra-raskt nedbrytningsprosesser, som er viktige for kvantecomputere bestående av “kvantepunkter”. Den gjør det også mulig å gjøre prediksjoner om den fysiske eller kjemiske atferden til molekyler, som kan skje under absorpsjon av lys og overføring av elektriske ladninger. 

Alt dette hjelper med å fremme utviklingen av fotokatalysatorer for produksjon av grønt hydrogen med sollys, og det gir bedre innsikt i prosessene i lys-sensitive reseptormolekyler i øyet.