Die Quantenchemie ist eine vielversprechende Anwendung für das Quantencomputing. Dabei wird beispielsweise die sogenannte elektronische Schrödinger-Gleichung gelöst, um die atomare Struktur von Materialien oder Molekülen vorherzusagen. Mit numerischen Methoden ist das auf klassischen Computern allerdings nur begrenzt möglich.
Forschern der Universität Paderborn ist es jetzt gelungen, Simulationen mit großen Molekülen so auf Quantencomputern durchzuführen, dass sie Aufschluss über ihre Energien und Kernkräfte geben. Dabei setzen sie auf Parallelisierung und schlagen einen neuen Algorithmus inklusive Techniken vor, mit deren Hilfe die Anzahl der Qubits, die Anzahl der Quantenprogramme sowie die Tiefe der Programme reduziert werden können. Damit soll unter anderem die Fehlerrate minimiert werden.
Selbst wenn Quantencomputer einen Vorsprung in der Lösung komplexer Aufgaben haben, benötigen sie dafür extrem hohe Rechenressourcen. Eine effiziente Untersuchung der chemischen Eigenschaften stellt deshalb auch heute noch eine Herausforderung dar. Dennoch: Qubits machen es möglich. Allerdings sind sie fehleranfällig, es kommt zum sogenannten Quantenrauschen.
Stabile Berechnungen trotz Quantenrauschen
Um dem zu begegnen, haben sich Prof. Dr. Thomas D. Kühne, Leiter des Arbeitskreises Theoretische Chemie an der Universität Paderborn, und seine Kollegen etwas einfallen lassen: „Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe wir die komplexen Berechnungen in mehrere kleine Untereinheiten aufgeteilt haben“, sagt er. „Das reduziert die Anzahl der benötigten Qubits und macht das Problem parallelisierbar. Das bedeutet, die Berechnungen werden nacheinander durchgeführt.“
Der ebenfalls am Projekt beteiligte Fachberater des neuen Hochleistungsrechenzentrums am Paderborn Center for Parallel Computing, Dr. Robert Schade, ergänzt: „So können auf einem Quantencomputer mit einer gegebenen Qubit-Anzahl viel größere Moleküle als bisher simuliert und deren elektronische Struktur untersucht werden. Aufgrund seines besonderen Charakters besitzt der vorgeschlagene Algorithmus zudem eine hohe Rauschtoleranz. Das heißt, die Berechnungen sind trotz des Rauschens numerisch stabil.“
Resultate durch Approximate Computing
Warum sich Rauschen in den Kernkräften durch die Simulationen ausgleichen lässt, weiß Prof. Dr. Christian Plessl, Vorsitzender des Paderborn Center for Parallel Computing. Das Stichwort: Approximate Computing. „Dabei wird auf die Genauigkeit von Berechnungen zugunsten einer Reduktion der benötigten elektrischen Leistung oder der Laufzeit verzichtet“, erklärt Plessl. „Man arbeitet also mit ungefähren Resultaten, die die genauen ersetzen und völlig ausreichend sind. Die Untersuchung der Darstellbarkeit sehr spezieller Quantenzustände, die Optimierung der Messprogramme und die Integration mit Molekulardynamikprogrammen sind Gegenstand zukünftiger Forschung.“
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die von ihnen entwickelte Methode künftig für den Einsatz in Quantencomputern eignet.
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