Forscher haben die Fähigkeit bekannter Quantencomputing-Algorithmen für fehlertolerantes Quantencomputing untersucht, um die lasergetriebene Elektronendynamik von Anregungs- und Ionisationsprozessen in kleinen Molekülen zu simulieren. Ihre Forschung ist in der veröffentlicht Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung.
„Diese Quantencomputeralgorithmen wurden ursprünglich in einem ganz anderen Kontext entwickelt. Wir haben sie hier erstmals eingesetzt, um Elektronendichten von Molekülen zu berechnen, insbesondere ihre dynamische Entwicklung nach Anregung durch einen Lichtpuls“, sagt Annika Bande, die eine Gruppe leitet zur Theoretischen Chemie bei der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HZB). Wie gut das funktioniert, zeigen Bande und Fabian Langkabel, der bei ihr promoviert, in der Studie.
„Wir haben einen Algorithmus für einen fiktiven, völlig fehlerfreien Quantencomputer entwickelt und ihn auf einem klassischen Server laufen lassen, der einen Quantencomputer mit zehn Qubits simuliert“, sagt Langkabel. Die Wissenschaftler beschränkten ihre Studie auf kleinere Moleküle, um die Berechnungen ohne echten Quantencomputer durchführen und mit herkömmlichen Berechnungen vergleichen zu können.
Die Quantenalgorithmen lieferten die erwarteten Ergebnisse. Im Gegensatz zu herkömmlichen Berechnungen; Die Quantenalgorithmen eignen sich aber auch, um mit zukünftigen Quantencomputern deutlich größere Moleküle zu berechnen.
„Das hat mit den Rechenzeiten zu tun. Sie steigen mit der Anzahl der Atome, aus denen das Molekül besteht“, sagt Langkabel. Während sich bei herkömmlichen Verfahren die Rechenzeit mit jedem weiteren Atom vervielfacht, ist dies bei Quantenalgorithmen nicht der Fall, was sie deutlich schneller macht.
Photokatalyse, Lichtempfang und mehr
Die Studie zeigt damit einen neuen Weg auf, Elektronendichten und ihre „Antwort“ auf Anregungen mit Licht im Voraus zu berechnen, mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Damit lassen sich zum Beispiel ultraschnelle Zerfallsprozesse simulieren und verstehen, die auch in Quantencomputern aus sogenannten Quantenpunkten entscheidend sind.
Darüber hinaus sind Vorhersagen über das physikalische oder chemische Verhalten von Molekülen möglich, beispielsweise bei der Absorption von Licht und der anschließenden Übertragung elektrischer Ladungen.
Dies könnte die Entwicklung von Photokatalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht erleichtern oder dabei helfen, Prozesse in den lichtempfindlichen Rezeptormolekülen im Auge zu verstehen.
Mehr Informationen:
Fabian Langkabel et al, Quantum-Compute Algorithm for Exact Laser-Driven Electron Dynamics in Molecules, Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung (2022). DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00878