Verschiebung von Elektronendichte von Cyanid (rot) zu Lithium (grün) während eines Laserpulses am Beispiel eines Lithiumhydrid-Moleküls

Bild: Fabian Langkabel, HZB

Berechnung von Elektronendynamik Wie Quantenalgorithmen auf konventionellen Servern Zeit sparen

24.11.2022

Noch gibt es weltweit wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl an Qubits. Quantenalgorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein Forscherteam hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet.

Am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ist eine quantenbasierte Methode verwendet worden, um die Elektronendynamik eines kleinen Moleküls zu berechnen. „Diese Quantencomputer-Algorithmen sind ursprünglich in einem ganz anderen Kontext entwickelt worden. Wir haben sie hier erstmals genutzt, um Elektronendichten von Molekülen zu berechnen, insbesondere auch ihre dynamische Entwicklung nach Anregung durch einen Lichtpuls“, sagt Annika Bande, die am HZB eine Gruppe zur theoretischen Chemie leitet. Zusammen mit Fabian Langkabel, der bei Bande promoviert, zeigte sie nun in einer Studie, wie gut dies funktioniert.

„Wir haben einen Algorithmus für einen fiktiven, völlig fehlerfreien Quantencomputer entwickelt und ihn auf einem klassischen Server laufen lassen, der einen Quantencomputer von zehn Qubits simuliert“, erklärt Langkabel. Dabei beschränkten sich die Forscher auf kleinere Moleküle, um die Rechnungen auch ohne echten Quantencomputer durchführen zu können und mit konventionellen Berechnungen zu vergleichen. Sie konnten zeigen, dass auch die Quantenalgorithmen die erwarteten Ergebnisse produzierten.

Verwendung bei Photokatalysatoren

Im Unterschied zu konventionellen Berechnungen eignen sich die Quantenalgorithmen jedoch 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 die Rechenzeit sich mit jedem zusätzlichen Atom für konventionelle Verfahren vervielfacht, ist das für Quantenalgorithmen nicht der Fall, was sie sehr viel schneller macht.

Die Studie zeigt damit einen neuen Weg auf, Elektronendichten und ihre „Antwort“ auf Anregungen mit Licht mit sehr hoher Orts- und Zeitauflösung vorab zu berechnen. Damit lassen sich beispielsweise ultraschnelle Zerfallsprozesse simulieren und verstehen, die auch bei Quantencomputern aus sogenannten Quantenpunkten entscheidend sind.

Aber auch Vorhersagen zum physikalischen oder chemischen Verhalten von Molekülen sind möglich, etwa während der Aufnahme von Licht und dem anschließenden Transfer von elektrischen Ladungen. Das könnte die Entwicklung von Photokatalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht erleichtern oder dabei helfen, Prozesse in den lichtempfindlichen Rezeptormolekülen im Auge besser zu verstehen.

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