Schwedischer Quantencomputer erstmals in der Chemie angewendet

Es gibt hohe Erwartungen, dass Quantencomputer revolutionäre neue Möglichkeiten zur Simulation chemischer Prozesse liefern könnten. Dies könnte große Auswirkungen auf alles haben, von der Entwicklung neuer Arzneimittel bis hin zu neuen Materialien. Forscher der Chalmers University haben nun zum ersten Mal in Schweden einen Quantencomputer verwendet, um Berechnungen in einem realen Fall aus der Chemie durchzuführen.

„Quantencomputer könnten theoretisch für Fälle eingesetzt werden, in denen sich Elektronen und Atomkerne auf kompliziertere Weise bewegen. Wenn wir lernen, ihr volles Potenzial auszuschöpfen, sollten wir in der Lage sein, die Grenzen dessen zu erweitern, was berechnet und verstanden werden kann.“ sagt Martin Rahm, außerordentlicher Professor für Theoretische Chemie am Institut für Chemie und Verfahrenstechnik, der die Studie geleitet hat.

Innerhalb der Quantenchemie werden die Gesetze der Quantenmechanik genutzt, um zu verstehen, welche chemischen Reaktionen möglich sind, welche Strukturen und Materialien entwickelt werden können und welche Eigenschaften sie haben. Solche Studien werden normalerweise mit Hilfe von Supercomputern durchgeführt, die mit herkömmlichen logischen Schaltungen aufgebaut sind. Es gibt jedoch eine Grenze für die Berechnungen, die herkömmliche Computer handhaben können. Da die Gesetze der Quantenmechanik das Verhalten der Natur auf subatomarer Ebene beschreiben, glauben viele Forscher, dass ein Quantencomputer für molekulare Berechnungen besser gerüstet sein sollte als ein herkömmlicher Computer.

„Die meisten Dinge auf dieser Welt sind von Natur aus chemisch. Unsere Energieträger zum Beispiel, in der Biologie sowie in alten oder neuen Autos, bestehen aus Elektronen und Atomkernen, die in Molekülen und Materialien unterschiedlich angeordnet sind. Einige der Probleme, die wir auf dem Gebiet der Quantenchemie zu lösen sind, zu berechnen, welche dieser Anordnungen wahrscheinlicher oder vorteilhafter sind, samt ihrer Eigenschaften“, sagt Martin Rahm.

Eine neue Methode minimiert Fehler in den quantenchemischen Berechnungen

Bis Quantencomputer das erreichen können, was die Forscher anstreben, ist es noch ein weiter Weg. Dieses Forschungsgebiet ist noch jung und die kleinen Modellrechnungen, die durchgeführt werden, werden durch das Rauschen aus der Umgebung des Quantencomputers erschwert. Doch Martin Rahm und seine Kollegen haben nun eine Methode gefunden, die sie als wichtigen Schritt nach vorn sehen. Die Methode heißt Reference-State Error Mitigation (REM) und funktioniert, indem sie die Fehler korrigiert, die aufgrund von Rauschen auftreten, indem die Berechnungen sowohl eines Quantencomputers als auch eines herkömmlichen Computers verwendet werden.

„Die Studie ist ein Proof-of-Concept, dass unsere Methode die Qualität quantenchemischer Berechnungen verbessern kann. Sie ist ein nützliches Werkzeug, mit dem wir unsere Berechnungen auf Quantencomputern in Zukunft verbessern werden“, sagt Martin Rahm. Der Artikel „Reference-State Error Mitigation: A Strategy for High Accuracy Quantum Computation of Chemistry“ ist im veröffentlicht Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung.

Das Prinzip der Methode besteht darin, zunächst einen Referenzzustand zu betrachten, indem das gleiche Problem sowohl auf einem konventionellen Computer als auch auf einem Quantencomputer beschrieben und gelöst wird. Dieser Referenzzustand stellt eine einfachere Beschreibung eines Moleküls dar als das ursprüngliche Problem, das der Quantencomputer lösen soll. Ein herkömmlicher Computer kann diese einfachere Version des Problems schnell lösen. Durch den Vergleich der Ergebnisse beider Computer kann eine exakte Abschätzung der durch Rauschen verursachten Fehlermenge vorgenommen werden. Der Unterschied zwischen den Lösungen der beiden Computer für das Referenzproblem kann dann verwendet werden, um die Lösung für das ursprüngliche, komplexere Problem zu korrigieren, wenn es auf dem Quantenprozessor ausgeführt wird.

Durch die Kombination dieser neuen Methode mit Daten von Chalmers‘ Quantencomputer Särimner ist es den Forschern gelungen, die intrinsische Energie kleiner Beispielmoleküle wie Wasserstoff und Lithiumhydrid zu berechnen. Äquivalente Berechnungen können auf einem herkömmlichen Computer schneller durchgeführt werden, aber die neue Methode stellt eine wichtige Entwicklung dar und ist die erste Demonstration einer quantenchemischen Berechnung auf einem Quantencomputer in Schweden.

„Wir sehen gute Möglichkeiten, die Methode weiterzuentwickeln, um Berechnungen größerer und komplexerer Moleküle zu ermöglichen, wenn die nächste Generation von Quantencomputern fertig ist“, sagt Martin Rahm.

In Chalmers gebauter Quantencomputer

Die Forschung wurde in enger Zusammenarbeit mit Kollegen am Institut für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften durchgeführt. Sie haben die Quantencomputer gebaut, die in der Studie verwendet werden, und halfen bei der Durchführung der empfindlichen Messungen, die für die chemischen Berechnungen benötigt werden.

„Nur durch die Verwendung echter Quantenalgorithmen können wir verstehen, wie unsere Hardware wirklich funktioniert und wie wir sie verbessern können. Chemische Berechnungen sind einer der ersten Bereiche, in denen wir glauben, dass Quantencomputer nützlich sein werden, daher unsere Zusammenarbeit mit der Gruppe von Martin Rahm ist besonders wertvoll“, sagt Jonas Bylander, Associate Professor für Quantentechnologie am Departement für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften.