Mit Quantencomputern komplexe chemische Prozesse aufklären

Nichts geringeres als eine technologische Revolution erwarten Fachleute von Quantencomputern: Sie sollen bald schon Probleme l?sen k?nnen, die wegen ihrer hohen Komplexit?t ausserhalb der Reichweite klassischer Supercomputer liegen. Die Datenverschl¨¹sselung und -entschl¨¹sselung sowie die L?sung 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. Forschende von der ETH Z¨¹rich und von Microsoft Research pr?sentieren nun in der Fachzeitschrift PNAS erstmals eine ganz konkrete Anwendung: die Berechnung einer komplexen chemischen Reaktion. Damit veranschaulichen die Wissenschaftler, dass von Quantencomputern tats?chlich wissenschaftlich relevante Beitr?ge zu erwarten sind.

Anhand von Simulationen zeigen die Forschenden um die ETH-Professoren Markus Reiher und Matthias Troyer, dass sich eine komplexe chemische Reaktion mithilfe eines Quantencomputers berechnen l?sst. So ein Quantencomputer m¨¹sste von ?moderater Gr?sse? sein, wie Matthias Troyer sagt. Er ist Professor f¨¹r Computational Physics an der ETH Z¨¹rich und derzeit f¨¹r Microsoft t?tig. Die von den Wissenschaftlern pr?sentierte Reaktion ausschliesslich mit einem klassischen Supercomputer zu berechnen, w?re kaum m?glich ¨C insbesondere, wenn die L?sung ausreichend pr?zis sein soll.

Eines der komplexesten Enzyme

Als Anschauungsbeispiel verwendeten die Forscher in ihrer Studie eine besonders komplexe Reaktion aus der Biochemie: Bestimmte Mikroorganismen k?nnen dank eines speziellen Enzyms, einer Nitrogenase, die in der Luft vorkommenden Stickstoffmolek¨¹le spalten und daraus chemische Verbindungen mit nur einem Stickstoff-Atom herstellen. Wie genau die Nitrogenase-Reaktion abl?uft, ist jedoch unbekannt. ?Es ist dies eine der grossen ungel?sten Fragen der Chemie?, sagt Markus Reiher, Professor f¨¹r Theoretische Chemie an der ETH Z¨¹rich.

Mit heutigen Computern l?sst sich das Verhalten einfacher Molek¨¹le recht genau berechnen. F¨¹r die Nitrogenase beziehungsweise deren aktives Zentrum sei dies jedoch praktisch nicht m?glich, da das Molek¨¹l zu komplex sei, erkl?rt Reiher.

Komplexit?t heisst in diesem Fall, wie viele Elektronen innerhalb des Molek¨¹ls ¨¹ber verh?ltnism?ssig lange Strecken miteinander wechselwirken. Je mehr Elektronen die Wissenschaftler ber¨¹cksichtigen m¨¹ssen, desto umfangreicher werden die Berechnungen. ?Mit bestehenden Methoden und klassischen Supercomputern kann man Molek¨¹le bis h?chstens rund 50 stark wechselwirkenden Elektronen berechnen?, so Reiher. Beim aktiven Zentrum der Nitrogenase m¨¹sse man jedoch deutlich mehr solcher Elektronen ber¨¹cksichtigen. Weil sich auf einem klassischen Computer der Aufwand f¨¹r jedes zus?tzliche Elektron verdoppelt, br?uchte es daf¨¹r unrealistisch hohe Rechenkapazit?ten.

Andere Computer-Architektur

Wie die ETH-Forschenden nun zeigten, werden hypothetische Quantencomputer mit nur 100 bis 200 Quanten-Bits (Qubits) komplexe Teilprobleme innerhalb von einigen Tagen berechnen k?nnen, dank derer der Reaktionsmechanismus der Nitrogenase schrittweise bestimmt werden k?nnte.

Dass Quantencomputer solche herausfordernden Aufgaben ¨¹berhaupt l?sen k?nnen, liegt unter anderem daran, dass sie grunds?tzlich anders aufgebaut sind als klassische Computer. Quantencomputer ben?tigen pro zus?tzlich zu berechnendes Elektron nicht doppelt so viele Bits, sondern einfach ein zus?tzliches Qubit.

Wann es solche ?moderat grossen? Quantencomputer geben wird, ist allerdings ungewiss. Derzeitige experimentelle Quantencomputer besitzen erst um die 20 rudiment?re Qubits. Bis zu einem Quantencomputer, bei dem mehr als hundert qualitativ hochstehende Qubits f¨¹r Rechenoperationen zur Verf¨¹gung stehen, wird es noch mindestens f¨¹nf, vermutlich jedoch eher zehn Jahre dauern, sch?tzt Reiher.

In Massen und miteinander vernetzt

Weil Quantencomputer nicht alle Aufgaben l?sen k?nnen, werden sie klassische Computer dereinst nicht verdr?ngen, sondern erg?nzen, wie die Forscher betonen. ?Die Zukunft wird gepr?gt 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 Molek¨¹lstruktur verteilt sind. Welche Strukturen besonders interessant sind und daher berechnet werden sollen, wird hingegen weiterhin ein klassischer Computer dem Quantencomputer mitteilen m¨¹ssen. ?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 aufzukl?ren, reicht es ausserdem nicht, die Elektronenverteilung in einer einzigen Molek¨¹lstruktur zu bestimmen. Vielmehr muss diese Verteilung in tausenden von Strukturen bestimmt werden. Jede Berechnung dauert mehrere Tage. ?Damit Quantencomputer f¨¹r diese Art von Problemen von Nutzen sind, m¨¹ssen sie dereinst in Massen zur Verf¨¹gung stehen. So k?nnen die Berechnungen auf mehreren Rechnern gleichzeitig laufen?, sagt Troyer.