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29.07.2018

Die „Killer‐App“ der Quantencomputer erprobt

Forscher-Team simuliert in Innsbruck chemische Bindungen

Eine internationale Forschungsgruppe hat in Innsbruck die weltweit erste quantenchemische Simulation auf einem Ionenfallen‐Quantencomputer durchgeführt. Die Quantensimulation von chemischen Prozessen könnte in Zukunft viele Probleme in der Chemie lösen helfen und so zum Beispiel neue Impulse für die Materialwissenschaft, Medizin und Industriechemie geben.

  • Blick in das Inssbrucker Quantenlabor der Forschungsgruppe um Prof. Rainer Blatt (© IQOQI/Markus R. Knabl)

    Blick in das Inssbrucker Quantenlabor der Forschungsgruppe um Prof. Rainer Blatt, wo ... (© IQOQI/Markus R. Knabl)

  • Wissenschaftler untersuchten einen vielversprechenden Weg zur Simulation chemischer Bindungen und Reaktionen mithilfe von Quantencomputern, zunächst am Beispiel der Energiezustände der Bindungen von molekularem Wasserstoff und Lithiumhydrid (© IQOQI/Harald Ritsch)

    ... Wissenschaftler einen vielversprechenden Weg zur Simulation chemischer Bindungen und Reaktionen mithilfe von Quantencomputern untersuchten, zunächst am Beispiel der Energiezustände der Bindungen von molekularem Wasserstoff und Lithiumhydrid (© IQOQI/Harald Ritsch)

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In dem Experiment am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften untersuchten die Wissenschaftler um Cornelius Hempel und Thomas Monz einen vielversprechenden Weg zur Modellierung chemischer Bindungen und Reaktionen mithilfe von Quantencomputern.

„Selbst die größten Supercomputer haben Mühe, alles andere als die einfachste Chemie zu modellieren. 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 mithilfe von Simulationen zu lösen“, sagt Cornelius Hempel, der 2016 vom IQOQI an die University of Sydney ging. Da Quantencomputer noch in den Kinderschuhen stecken, bleibt unklar, welche Probleme diese Geräte am effektivsten lösen werden können, aber viele sind sich einig, dass die Quantenchemie eine der ersten „Killer‐Apps“ dieser neuen Technologie sein wird.

Breite Anwendung für Quantenchemie

Die Quantenchemie versucht die komplizierten Bindungen und Reaktionen von Molekülen mit Hilfe der Quantenmechanik zu verstehen. Viele Details von chemischen Prozessen können selbst mit den größten und schnellsten Supercomputern nicht simuliert werden.

Durch die Modellierung dieser Prozesse mithilfe von Quantencomputern erwarten die Wissenschaftler 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 denkbare Anwendungen sind die Entwicklung organischer Solarzellen und besserer Batterien durch verbesserte Materialien sowie die Nutzung neuer Erkenntnisse bei der Entwicklung personalisierter Medikamente.

Einfache chemische Bindung simuliert

Am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck verwendeten die Wissenschaftler 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 vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck.

„So können wir die Ergebnisse der Quantencomputer direkt überprüfen und gewinnen wichtige Erfahrungen für deren Weiterentwicklung.“ Cornelius 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.“

Anstatt die bisher genaueste oder größte Simulation anzustreben, konzentrierte sich das Team auf das, was in einem vielversprechenden quantenklassischen Hybrid‐Algorithmus, dem sogenannten Variational Quantum Eigensolver oder VQE, schief gehen kann. Indem sie verschiedene Wege untersuchten, wie die chemische Fragestellung im Quantencomputer kodiert werden kann, analysierten die Forscher die Möglichkeiten, wie Fehler, die in den heute noch unvollkommenen Geräten unweigerlich auftreten und deren Nutzung in naher Zukunft noch im Wege stehen, unterdrückt werden können.

„Neben den supraleitenden Quantenbits ist die Ionenfallen‐Technologie die führende Plattform für die Entwicklung eines Quantencomputers“, sagt der Wissenschaftliche Direktor am IQOQI Prof. Dr. Rainer Blatt. „Die Quantenchemie ist ein Beispiel, wo sich die Vorteile eines Quantencomputers schon sehr bald in konkreten Anwendungen zeigen wird.“

Quanten-Co-Prozessoren nur noch eine Frage der Zeit

Der Innsbrucker Quantencomputer‐Pionier hatte erst am 19. Juli auf der Veranstaltung „Die zweite Quantenrevolution“ der Hector Fellow Academy im bis auf den letzten Platz besetzen Saal des Literaturhauses München zusammen mit Prof. Dr. Anton Zeilinger (Universität Wien & ÖAW-Präsident) den aktuellen Stand von Quantenkommunikation und des Quantencomputings dargelegt. Danach dürften in einigen Jahren Quantencomputer als eine Art Co-Prozessoren konventionelle Rechner bei Quantensimulationen unterstützen, da dank ihrer inhärenten Parallelität bereits eine relativ überschaubare Zahl von Qubits prinzipiell ausreicht, um quantenmechanische Zustände zu simulieren, an denen auch Supercomputer konventioneller Bauart nach wie vor scheitern. Blatt und Zeilinger, der in den vergangenen Jahrzehnten immer wieder durch bahnbrechende Quantenexperimente Aufsehen erregte, waren sich einig, dass sich solche Computer in wenigen Jahren bauen und erfolgreich betreiben lassen werden, auch wenn der Aufwand für einen fehlerfreien Betrieb derzeit noch schwer abschätzbar ist.

Die Ergebnisse der Forschungsgruppen um Rainer Blatt und den amerikanischen Chemiker Alán Aspuru‐Guzik wurden nun in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht und entstanden unter anderem mit der finanziellen Unterstützung des österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Kommission. (Red./kk)

Unternehmensinformation

IQOQI Institut für Quantenoptik d. Österr Akademie der Wissenschaften

Otto Hittmair-Platz 1
AT 6022 INNSBRUCK

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