Quantencomputer im Einsatz in der Chemie

Physik-News vom 10.10.2022


Quantencomputer gehören zu den zentralen Zukunftstechnologien des 21sten Jahrhunderts - ihr Potenzial übertrifft selbst die besten Superrechner. Als leistungsfähiges Instrument haben sie sich insbesondere für die Lösung komplexer Rechenprobleme erwiesen – eine Aufgabe, bei der die klassische Hardware an ihre Grenzen stößt. Nun entwickelten Wissenschaftler eine neue Methode zur Berechnung molekularer Zustände.

Eine vielversprechende Anwendung für das Quantencomputing ist die Quantenchemie. Dabei wird beispielsweise die sogenannte elektronische Schrödinger-Gleichung gelöst, um die atomare Struktur von Materialien oder Molekülen vorherzusagen. In der Forschung sind Computersimulationen für die Klärung solcher Fragen unerlässlich. Mit numerischen Methoden ist das auf klassischen Computern allerdings nur begrenzt möglich.


Ein Symbolbild für die Quantenchemie.

Publikation:


Robert Schade, Carsten Bauer, Konstantin Tamoev, Lukas Mazur, Christian Plessl, and Thomas D. Kühne
Parallel quantum chemistry on noisy intermediate-scale quantum computers
Phys. Rev. Research 4, 033160 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.033160



Wissenschaftler der Universität Paderborn haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, Simulationen mit großen Molekülen effizient auf Quantencomputern durchzuführen, was Aufschluss über ihre Energien und Kernkräfte geben soll. Dabei setzen sie auf Parallelisierung und schlagen einen neuen Algorithmus inklusive Techniken vor, mit deren Hilfe die Anzahl der Qubits, die Anzahl der Quantenprogramme sowie die Tiefe der Programme reduziert werden können. Damit soll u. a. die Fehlerrate minimiert werden.

„Das Problem wird parallelisierbar“

Selbst wenn Quantencomputer einen Vorsprung in der Lösung komplexer Aufgaben haben, benötigen sie dafür extrem hohe Rechenressourcen. Eine effiziente Untersuchung der chemischen Eigenschaften stellt deshalb auch heute noch eine Herausforderung dar. Dennoch: Qubits, die Informationseinheiten beim Quantencomputing, machen es möglich. Allerdings sind sie fehleranfällig, es kommt zum sogenannten Quantenrauschen. Um dem zu begegnen, haben sich Prof. Dr. Thomas D. Kühne und seine Kollegen der Universität Paderborn etwas einfallen lassen: „Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe wir die komplexen Berechnungen in mehrere kleine Untereinheiten aufgeteilt haben.

Das reduziert die Anzahl der benötigten Qubits und macht das Problem parallelisierbar. Das bedeutet, die Berechnungen werden nacheinander durchgeführt“, erklärt Kühne, Leiter des Arbeitskreises Theoretische Chemie. Der ebenfalls am Projekt beteiligte Fachberater des neuen Hochleistungsrechenzentrums am Paderborn Center for Parallel Computing, Dr. Robert Schade, ergänzt: „So können auf einem Quantencomputer mit einer gegebenen Qubit-Anzahl viel größere Moleküle als bisher simuliert und deren elektronische Struktur untersucht werden. Aufgrund seines besonderen Charakters besitzt der vorgeschlagene Algorithmus zudem eine hohe Rauschtoleranz. Das heißt, die Berechnungen sind trotz des Rauschens numerisch stabil.“

Approximate Computing: Ungefähre Resultate reichen aus

„Rauschen in den Kernkräften, die die Teilchen quasi zusammenhalten, kann in Simulationen im Sinne des approximativen Rechnens ausgeglichen werden. Dabei wird auf die Genauigkeit von Berechnungen zugunsten einer Reduktion der benötigten elektrischen Leistung oder der Laufzeit verzichtet. Man arbeitet also mit ungefähren Resultaten, die die genauen ersetzen und völlig ausreichend sind. Die Untersuchung der Darstellbarkeit sehr spezieller Quantenzustände, die Optimierung der Messprogramme und die Integration mit Molekulardynamikprogrammen sind Gegenstand zukünftiger Forschung“, erklärt Prof. Dr. Christian Plessl, Vorsitzender des Paderborn Center for Parallel Computing an der Universität Paderborn. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die von ihnen entwickelte Methode künftig für den Einsatz in Quantencomputern eignet.


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