Chemische Reaktion im Quantenrechner

  • 31. July 2017

Quantensysteme bieten konkrete Vorteile gegenüber Supercomputern.

Quanten­computern sollen bald schon Probleme lösen können, die wegen ihrer hohen Komplexität außerhalb der Reichweite klassischer Super­computer liegen. Die Daten­verschlüsselung und -ent­schlüsselung sowie die Lösung spezieller Probleme in der Physik, Quanten­chemie und Material­forschung sind oft genannte Anwendungs­gebiete. Wenn es um konkrete Fragen geht, deren Beantwortung Quanten­computer voraus­setzen, blieben Experten bisher jedoch meist vage. Forscher von der ETH Zürich und von Microsoft Research präsen­tieren erstmals eine ganz konkrete Anwendung: die Berechnung einer komplexen chemischen Reaktion. Damit veran­schaulichen die Wissen­schaftler, dass von Quante­ncomputern tatsächlich wissen­schaftlich relevante Beiträge zu erwarten sind.

Abb.: Künftige Quantencomputer werden den Reaktionsmechanismus des Enzyms Nitrogenase berechnen können. Im Bild das aktive Zentrum des Enzyms und eine für die Berechnung zentrale mathematische Formel. (Bild: ETHZ)

Abb.: Künftige Quantencomputer werden den Reaktionsmechanismus des Enzyms Nitrogenase berechnen können. Im Bild das aktive Zentrum des Enzyms und eine für die Berechnung zentrale mathematische Formel. (Bild: ETHZ)

Anhand von Simu­lationen zeigen die Forscher um Markus Reiher und Matthias Troyer, dass sich eine komplexe chemische Reaktion mithilfe eines Quanten­computers berechnen lässt. So ein Quanten­computer müsste von „moderater Größe“ sein, wie Matthias Troyer sagt. Die von den Wissen­schaftlern präsen­tierte Reaktion ausschließ­lich mit einem klassischen Super­computer zu berechnen, wäre kaum möglich – ins­besondere, wenn die Lösung ausreichend präzis sein soll. Als Anschauungs­beispiel verwen­deten die Forscher eine besonders komplexe Reaktion aus der Biochemie: Bestimmte Mikro­organismen können dank eines speziellen Enzyms, einer Nitro­genase, die in der Luft vorkom­menden Stickstoff­moleküle spalten und daraus chemische Verbin­dungen mit nur einem Stickstoff­atom herstellen. Wie genau die Nitro­genase-Reaktion abläuft, ist jedoch unbekannt. „Es ist dies eine der großen unge­lösten Fragen der Chemie“, sagt Markus Reiher.

Mit heutigen Computern lässt sich das Verhalten einfacher Moleküle recht genau berechnen. Für die Nitro­genase beziehungs­weise deren aktives Zentrum sei dies jedoch praktisch nicht möglich, da das Molekül zu komplex sei, erklärt Reiher. Kom­plexität heißt in diesem Fall, wie viele Elektronen inner­halb des Moleküls über verhältnis­mäßig lange Strecken mit­einander wechsel­wirken. Je mehr Elek­tronen die Wissen­schaftler berück­sichtigen müssen, desto umfang­reicher werden die Berechnungen. „Mit be­stehenden Methoden und klas­sischen Super­computern kann man Moleküle bis höchstens rund 50 stark wechsel­wirkenden Elektronen berechnen“, so Reiher. Beim aktiven Zentrum der Nitro­genase müsse man jedoch deutlich mehr solcher Elektronen berück­sichtigen. Weil sich auf einem klas­sischen Computer der Aufwand für jedes zusätz­liche Elektron verdoppelt, bräuchte es dafür unrea­listisch hohe Rechen­kapazitäten.

Wie Reiher und Kpllegen nun zeigten, werden hypo­thetische Quanten­computer mit nur 100 bis 200 Quanten-Bits (Qubits) komplexe Teil­probleme inner­halb von einigen Tagen berechnen können, dank derer der Reaktions­mechanismus der Nitro­genase schritt­weise bestimmt werden könnte. Dass Quanten­computer solche heraus­fordernden Aufgaben überhaupt lösen können, liegt unter anderem daran, dass sie grund­sätzlich anders aufge­baut sind als klas­sische Computer. Quanten­computer benötigen pro zusätz­lich zu berech­nendes Elektron nicht doppelt so viele Bits, sondern einfach ein zusätz­liches Qubit. Wann es solche moderat großen Quanten­computer geben wird, ist aller­dings ungewiss. Derzeitige experi­mentelle Quanten­computer besitzen erst um die 20 rudimentäre Qubits. Bis zu einem Quanten­computer, bei dem mehr als hundert qualitativ hoch­stehende Qubits für Rechen­operationen zur Verfügung stehen, wird es noch mindestens fünf, vermut­lich jedoch eher zehn Jahre dauern, schätzt Reiher.

Weil Quanten­computer nicht alle Aufgaben lösen können, werden sie klas­sische Computer dereinst nicht ver­drängen, sondern ergänzen, wie die Forscher betonen. „Die Zukunft wird geprägt sein von einem Zusammen­spiel von klas­sischen Computern und Quanten­computern“, sagt Matthias Troyer. Im Fall der Nitro­genase-Reaktion wird es so sein, dass Quanten­computer berechnen, wie die Elek­tronen in einer bestimmen Molekül­struktur verteilt sind. Welche Strukturen besonders interes­sant sind und daher berechnet werden sollen, wird hingegen weiterhin ein klas­sischer Computer dem Quanten­computer mitteilen müssen. „Den Quanten­computer muss man sich eher wie einen Co-Prozessor vor­stellen, der einem klas­sischen Computer bestimmte Aufgaben abnehmen und ihn so be­schleunigen kann“, sagt Markus Reiher.

Um den Mecha­nismus der Nitro­genase-Reaktion aufzu­klären, reicht es außerdem nicht, die Elektronen­verteilung in einer einzigen Molekül­struktur zu bestimmen. Vielmehr muss diese Ver­teilung in tausenden von Struk­turen bestimmt werden. Jede Berech­nung dauert mehrere Tage. „Damit Quanten­computer für diese Art von Problemen von Nutzen sind, müssen sie dereinst in Massen zur Ver­fügung stehen. So können die Berech­nungen auf mehreren Rechnern gleich­zeitig laufen“, so Troyer.

ETHZ / JOL

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