Algorytmy kwantowe mogą badać większe cząsteczki

Zespół z Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) był w stanie obliczyć orbity elektronowe i ich dynamiczny rozwój na przykładzie małej cząsteczki po pobudzeniu laserowym. Ekspertom udało się to metodą, która może pomóc w badaniu większych cząsteczek, których nie można obliczyć za pomocą konwencjonalnych metod.

Nowy rozwój pomaga w rozwoju komputerów kwantowych, które mogą znacznie skrócić czas obliczeń dla złożonych problemów.

Badania zostały opublikowane w Journal of Chemical Theory and Computation.

Tworzenie algorytmów kwantowych

Annika Bande kieruje grupą chemii teoretycznej w HZB.

„Te algorytmy komputerów kwantowych zostały pierwotnie opracowane w całkowicie innym kontekście. Użyliśmy ich tutaj po raz pierwszy do obliczania gęstości elektronowych cząsteczek, w szczególności także ich dynamicznej ewolucji po pobudzeniu przez impuls światła”, mówi Bande.

Fabian Langkabel jest częścią grupy.

„Opracowaliśmy algorytm dla fikcyjnego, całkowicie wolnego od błędów komputera kwantowego i uruchomiliśmy go na klasycznym serwerze symulującym komputer kwantowy o dziesięciu Qbitach”, mówi Langkabel.

Zespół naukowców ograniczył swoje badanie do mniejszych cząsteczek, co umożliwiło im wykonanie obliczeń bez prawdziwego komputera kwantowego. Mogli również porównać je z konwencjonalnymi obliczeniami.

Zalety w stosunku do metod konwencjonalnych

Algorytmy kwantowe dają wyniki, których zespół szukał. W przeciwieństwie do konwencjonalnych obliczeń, algorytmy kwantowe mogą obliczyć większe cząsteczki przy użyciu przyszłych komputerów kwantowych.

„To ma związek z czasem obliczeń. Zwiększają się one wraz z liczbą atomów, które tworzą cząsteczkę”, kontynuuje Langkabel.

W przypadku konwencjonalnych metod czas obliczeń wielokrotnie zwiększa się z każdym dodatkowym atomem. Nie jest to jednak przypadkiem algorytmów kwantowych, które stają się szybsze z każdym dodatkowym atomem.

Nowe badanie pokazuje, jak obliczyć gęstości elektronowe i ich „odpowiedź” na pobudzenia światłem z wyprzedzeniem. Używa również bardzo wysokich rozdzielczości przestrzennych i czasowych.

Metoda umożliwia symulowanie i zrozumienie ultra-szybkich procesów rozkładu, które są ważne dla komputerów kwantowych składających się z „kwantowych kropelek”. Umożliwia również dokonywanie przewidywań dotyczących zachowania fizycznego lub chemicznego cząsteczek, które mogą wystąpić podczas absorpcji światła i transferu ładunków elektrycznych.

Wszystko to pomaga w rozwoju fotokatalizatorów do produkcji zielonego wodoru ze światłem słonecznym i dostarcza lepszego zrozumienia procesów w cząsteczkach receptorowych wrażliwych na światło w oku.