Google erfindet die Quantencomputerchemie

Bild: Erik Lucero

Einem Team von amerikanischen und britischen Forschern ist es erstmals gelungen, ein Wasserstoff-Molekül mit einem Quantencomputer zu simulieren. Dabei nutzten sie einen Prototypen des Internetgiganten Google, wie das Team im Fachjournal Physical Review X berichtet.

Im Gegensatz zu klassischen Computern, die auf der elektrischen Spannung in Schaltkreisen basieren, nutzen Quantencomputer quantenmechanische Zustände. Das kann beispielsweise der Spin eines Elektrons sein, oder die Flussrichtung des Stroms in einem Supraleiter. Die Forscher um Prof. John Martinis verwendeten einen Supraleiter-Quantencomputer in Googles Forschungslabors um die Quanten-Bits (Qubits) für die Berechnung des H2-Moleküls zu erzeugen. Es wurden zwar schon vorher Moleküle mit Quantencomputern simuliert, allerdings mussten vorher wesentliche Teile der Rechenarbeit mit klassischen Computern erledigt werden. Und das kostete viel Zeit, Geld und schränkte das Einsatzgebiet der Quantenrechner stark ein.

Mikro-Computer: Die Leiterbahnen aus supraleitendem Aluminium auf hartem Saphir schaffen, was klassische Computer nicht können. Bild: Michael Fang
Mikro-Computer: Die Leiterbahnen aus supraleitendem Aluminium auf hartem Saphir schaffen, was klassische Computer nicht können. Bild: Michael Fang

Trotz des hohen Rechenaufwands waren Martinis und seine Kollegen sogar ressourcensparend: Sie brauchten nur zwei bis maximal drei supraleitende Aluminium–Saphir-Qubits, die sind in einem Kühlbad bei 0,02 Kelvin (-273,13 °C) befanden. Damit nutzten sie für ihre Berechnungen nur ein Drittel der vorhandenen Kapazität des Rechners. „Der Vorteil der Quantensimulation ist, dass der Simulator so winzig ist wie das Molekül selbst, das man simulieren möchte“, sagte das Teammitglied Peter O’Malley dem Online-Magazin Chemistry World. Allerdings erlauben sie auch quantenmechanische Berechnungen, ohne die mathematischen Näherungen verwenden zu müssen, wie es bei klassischen Computern nötig ist. In der Chemie ist es von großer Bedeutung, Moleküle und ihre verschiedenen Zustände genau berechnen zu können. Man kann chemische Reaktionen oft nur erst durch die Ergebnisse aus dem Computer erklären. Gleichzeitig werden in der heutigen chemischen Forschung viele neuartige Substanzen zuerst am Computer „designt“, bevor sie dann im Labor hergestellt werden.

Bis der erste Quantencomputer in einem Rechenzentrum steht, ist es noch ein langer Weg. Es kann allerdings sein, dass die Entwicklung der Hardware durch den Beginn der Quantencomputerchemie einen starken Schub bekommen wird.

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