Kvantalgoritmer kan undersöka större molekyler

Ett team på Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) kunde beräkna elektronbanor och deras dynamiska utveckling med hjälp av ett litet molekylärexempel efter en laserpulsexcitation. Enligt experterna kan denna metod hjälpa till att undersöka större molekyler som inte kan beräknas med konventionella metoder.

Den nya utvecklingen hjälper till att främja kvantdatorer, som kan drastiskt minska beräkningstider för komplexa problem.

Forskningen publicerades i Journal of Chemical Theory and Computation.

Utveckling av kvantalgoritmer

Annika Bande leder en grupp inom teoretisk kemi på HZB.

“Dessa kvantalgoritmer utvecklades ursprungligen i ett helt annat sammanhang. Vi använde dem här för första gången för att beräkna elektrontäthet hos molekyler, särskilt också deras dynamiska utveckling efter excitering av en ljuspuls”, säger Bande.

Fabian Langkabel är en del av gruppen.

“Vi utvecklade en algoritm för en fiktiv, helt felfri kvantdator och körde den på en klassisk server som simulerar en kvantdator med tio Qbits”, säger Langkabel.

Forskargruppen begränsade sin studie till mindre molekyler, vilket möjliggjorde beräkningar utan en riktig kvantdator. De kunde också jämföra dem med konventionella beräkningar.

Fördelar jämfört med konventionella metoder

Kvantalgoritmer producerar de resultat som forskargruppen letade efter. Till skillnad från konventionella beräkningar kan kvantalgoritmer beräkna större molekyler med framtida kvantdatorer.

“Detta har att göra med beräkningstiderna. De ökar med antalet atomer som utgör molekylen”, fortsätter Langkabel.

När det gäller konventionella metoder ökar beräkningstiden med varje ytterligare atom. Men detta är inte fallet för kvantalgoritmer, eftersom de blir snabbare med varje ytterligare atom.

Den nya studien demonstrerar hur man kan beräkna elektrontäthet och deras “svar” på excitering med ljus i förväg. Den använder också mycket höga rumsliga och tidsmässiga upplösningar.

Metoden möjliggör simulering och förståelse av ultrafasta sönderfallsprocesser, som är viktiga för kvantdatorer bestående av “kvantdots”. Den möjliggör också att göra förutsägelser om de fysikaliska eller kemiska beteenden hos molekyler som kan äga rum under absorption av ljus och överföring av elektriska laddningar.

Allt detta hjälper till att underlätta utvecklingen av fotokatalysatorer för produktion av grönt väte med solsken, och det ger bättre insikt i processerna i de ljuskänsliga receptor molekylerna i ögat.