Afklaring af komplekse kemiske processer med kvantecomputere

Videnskaben og it-industrien har store forhåbninger til kvantecomputere, men beskrivelser af mulige anvendelser har en tendens til at være vage. Forskere ved ETH Zürich er nu kommet med et konkret eksempel, der demonstrerer, hvad kvantecomputere rent faktisk vil kunne opnå i fremtiden.

Specialister forventer intet mindre end en teknologisk revolution fra kvantecomputere, som de håber snart vil give dem mulighed for at løse problemer, der i øjeblikket er for komplekse til klassiske supercomputere. Almindeligvis diskuterede anvendelsesområder omfatter datakryptering og dekryptering, samt særlige problemer inden for fysik, kvantekemi og materialeforskning.

Men når det kommer til konkrete spørgsmål, som kun kvantecomputere kan besvare, eksperter har været relativt vage. Forskere fra ETH Zürich og Microsoft Research præsenterer nu en specifik ansøgning for første gang i det videnskabelige tidsskrift PNAS :evaluering af en kompleks kemisk reaktion. Baseret på dette eksempel, forskerne viser, at kvantecomputere faktisk kan levere videnskabeligt relevante resultater.

Et team af forskere ledet af ETH-professorerne Markus Reiher og Matthias Troyer brugte simuleringer til at demonstrere, hvordan en kompleks kemisk reaktion kunne beregnes ved hjælp af en kvantecomputer. For at opnå dette, kvantecomputeren skal være af "moderat størrelse", siger Matthias Troyer, der er professor i beregningsfysik ved ETH Zürich og arbejder i øjeblikket for Microsoft. Mekanismen for denne reaktion ville være næsten umulig at vurdere med en klassisk supercomputer alene - især hvis resultaterne skal være tilstrækkeligt præcise.

Et af de mest komplekse enzymer

Forskerne valgte en særlig kompleks biokemisk reaktion som eksempel på deres undersøgelse:takket være et særligt enzym kendt som nitrogenase, visse mikroorganismer er i stand til at spalte atmosfæriske nitrogenmolekyler for at skabe kemiske forbindelser med enkelte nitrogenatomer. Det er stadig uvist, hvordan nitrogenase-reaktionen præcis fungerer. "Dette er et af de største uløste mysterier i kemi, siger Markus Reiher, Professor i teoretisk kemi ved ETH Zürich.

Computere, der er tilgængelige i dag, er i stand til at beregne opførsel af simple molekyler ret præcist. Imidlertid, dette er næsten umuligt for nitrogenaseenzymet og dets aktive center, hvilket simpelthen er for komplekst, forklarer Reiher.

I denne sammenhæng, kompleksitet er en afspejling af, hvor mange elektroner, der interagerer med hinanden i molekylet over relativt lange afstande. Jo flere elektroner en forsker skal tage højde for, jo mere sofistikerede beregninger. "Eksisterende metoder og klassiske supercomputere kan bruges til at vurdere molekyler med højst 50 stærkt interagerende elektroner, " siger Reiher. Men der er et betydeligt større antal af sådanne elektroner i det aktive centrum af et nitrogenaseenzym. For med klassiske computere fordobles indsatsen for at evaluere et molekyle for hver ekstra elektron, en urealistisk mængde regnekraft er nødvendig.

En anden computerarkitektur

Som påvist af ETH-forskerne, hypotetiske kvantecomputere med kun 100 til 200 kvantebits (qubits) vil potentielt være i stand til at beregne komplekse delproblemer inden for få dage. Resultaterne af disse beregninger kunne derefter bruges til at bestemme reaktionsmekanismen for nitrogenase trin for trin.

At kvantecomputere overhovedet er i stand til at løse så udfordrende opgaver er delvist resultatet af, at de er struktureret anderledes end klassiske computere. I stedet for at kræve dobbelt så mange bits for at vurdere hver ekstra elektron, kvantecomputere har simpelthen brug for en qubit mere.

Imidlertid, det er stadig at se, hvornår sådanne "moderat store" kvantecomputere vil være tilgængelige. De nuværende eksperimentelle kvantecomputere bruger i størrelsesordenen 20 rudimentære qubits. Det vil tage mindst fem år mere, eller mere sandsynligt ti, før vi har kvantecomputere med processorer på mere end 100 højkvalitets qubits, vurderer Reiher.

Masseproduktion og netværk

Forskere understreger det faktum, at kvantecomputere ikke kan klare alle opgaver, så de vil tjene som et supplement til klassiske computere, i stedet for at erstatte dem. "Fremtiden vil blive formet af samspillet mellem klassiske computere og kvantecomputere, " siger Troyer.

Med hensyn til nitrogenasereaktionen, kvantecomputere vil være i stand til at beregne, hvordan elektronerne er fordelt inden for en bestemt molekylær struktur. Imidlertid, klassiske computere vil stadig skulle fortælle kvantecomputere, hvilke strukturer der er af særlig interesse og bør derfor beregnes. "Kvantecomputere skal opfattes mere som en co-processor, der er i stand til at overtage bestemte opgaver fra klassiske computere, således at de kan blive mere effektive, " siger Reiher.

At forklare mekanismen for nitrogenasereaktionen vil også kræve mere end blot information om elektronfordelingen i en enkelt molekylær struktur; Ja, denne fordeling skal bestemmes i tusindvis af strukturer. Hver beregning tager flere dage. "For at kvantecomputere kan være nyttige til at løse den slags problemer, de skal først masseproduceres, derved tillader beregninger at finde sted på flere computere på samme tid, " siger Troyer.