24.07.2018

Quantencomputer simuliert chemische Bindungen

Ein Team um Quantenforscher/innen der ÖAW führten die weltweit erste quantenchemische Simulation auf einem Ionenfallen-Quantencomputer durch. Die Simulation von komplexen chemischen Prozessen, bei der klassische Computer an ihre Grenzen stoßen, könnte in Zukunft dabei helfen viele ungelöste Fragen der Chemie zu lösen und so zum Beispiel neue Impulse für die Materialwissenschaft, Medizin und Industriechemie geben, wie die Forscher/innen nun im Fachjournal „Physical Review X“ berichten.

Physiker/innen um Rainer Blatt am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Innsbruck der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Innsbruck haben gemeinsam mit Forscher/innen um Alán Aspuru-Guzik an der University of Toronto einen vielversprechenden Weg zur Modellierung chemischer Bindungen und Reaktionen mit Hilfe von Quantencomputern untersucht.

 „Selbst die größten Supercomputer haben Mühe, alles andere als die einfachste Chemie zu modellieren“, erläutert Cornelius Hempel, einer der Autoren der im Fachjournal „Physical Review X“ publizierten Studie. „Quantencomputer, die die Natur simulieren, erschließen hier eine völlig neue Möglichkeit, Materie zu verstehen. Sie geben uns ein neues Werkzeug an die Hand, um Probleme in der Materialwissenschaft, Medizin und Industriechemie mit Hilfe von Simulationen zu lösen“, so der Experimentalphysiker.

Da Quantencomputer noch in den Kinderschuhen stecken, bleiben mögliche konkrete Anwendungen meistens noch im Vagen. Für die Berechnung komplexer chemischer Reaktion sind sich die Fachleute jedoch einig, dass die Quantenchemie eine der ersten „Killer-Apps“ dieser neuen Technologie sein wird. „Neben den supraleitenden Quantenbits ist die Ionenfallen-Technologie die führende Plattform für die Entwicklung eines Quantencomputers“, sagt der ÖAW-Quantenphysiker Rainer Blatt und ergänzt: „Die Quantenchemie ist ein Beispiel, wo sich die Vorteile eines Quantencomputers schon sehr bald in konkreten Anwendungen zeigen wird.“

Große Potenziale für Solarzellen-Entwicklung und personalisierte Medizin

Die Quantenchemie versucht die komplexen Bindungen und Reaktionen von Molekülen mit Hilfe der Quantenmechanik zu verstehen. Viele chemische Reaktionen können selbst mit den größten und schnellsten Supercomputern nicht simuliert werden, weil sie der Komplexität der Wechselwirkungen über lange Strecken nicht gewachsen sind. Durch die Modellierung dieser Prozesse mit Hilfe von Quantencomputern erwarten die Wissenschaftler/innen ein besseres Verständnis. Damit könnten Wege für chemische Reaktionen erschlossen werden, die weniger Energie benötigen, und die Entwicklung neuer Katalysatoren ermöglichen. Dies hätte enorme Auswirkungen auf die Industrie, wie zum Beispiel in der Produktion von Düngemitteln. Weitere mögliche Anwendungen sind die Entwicklung organischer Solarzellen und besserer Batterien durch verbesserte Materialien sowie die Nutzung neuer Erkenntnisse bei der Entwicklung personalisierter Medikamente.

Überprüfbare Ergebnisse

Für das Experiment am IQOQI Innsbruck verwendeten die Wissenschaftler/innen einen Ionenfallen-Quantencomputer mit 20 Quantenbits und simulierten auf bis zu vier Quantenbits die Energiezustände der Bindungen von molekularem Wasserstoff und Lithiumhydrid. „Wir haben diese relativ einfachen Moleküle gewählt, weil sie bereits sehr gut verstanden werden und mit klassischen Computern simuliert werden können“, sagt Thomas Monz aus der Forschungsgruppe um Blatt. „So können wir die Ergebnisse der Quantencomputer direkt überprüfen und gewinnen wichtige Erfahrungen für deren Weiterentwicklung.“ Hempel ergänzt: „Dies ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung dieser Technologie, bei dem wir Vergleichsmaßstäbe setzen, nach Fehlern suchen und notwendige Verbesserungen planen können.“