Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Quantencomputern komplexe chemische Prozesse aufklären

02.08.2017

Wissenschaft und Computerindustrie setzen grosse Hoffnungen auf Quantencomputer, mögliche Anwendungen beschreiben sie aber meist nur vage. Anhand eines konkreten Beispiels zeigen Wissenschaftler der ETH Zürich nun, was künftige Quantencomputer tatsächlich zu leisten vermögen.

Nichts geringeres als eine technologische Revolution erwarten Fachleute von Quantencomputern: Sie 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.


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.

ETH Zürich

Wenn es um konkrete Fragen geht, deren Beantwortung Quantencomputer voraussetzen, blieben Experten bisher jedoch meist vage. Forschende von der ETH Zürich und von Microsoft Research präsentieren nun in der Fachzeitschrift PNAS 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.

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 lässt. So ein Quantencomputer müsste von «moderater Grösse» sein, wie Matthias Troyer sagt. Er ist Professor für Computational Physics an der ETH Zürich und derzeit für Microsoft tätig. Die von den Wissenschaftlern präsentierte Reaktion ausschliesslich mit einem klassischen Supercomputer zu berechnen, wäre kaum möglich – insbesondere, wenn die Lösung ausreichend präzis sein soll.

Eines der komplexesten Enzyme

Als Anschauungsbeispiel verwendeten die Forscher in ihrer Studie 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 Stickstoff-Atom herstellen. Wie genau die Nitrogenase-Reaktion abläuft, ist jedoch unbekannt. «Es ist dies eine der grossen ungelösten Fragen der Chemie», sagt Markus Reiher, Professor für Theoretische Chemie an der ETH Zürich.

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.

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 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.

In Massen und miteinander vernetzt

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», sagt Troyer.

Literaturhinweis

Reiher M, Wiebe N, Svore KM, Wecker D, Troyer M: Elucidating reaction mechanisms on quantum computers: PNAS 2017, 114: 7555-7560, doi: 10.1073/pnas.1619152114 [http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1619152114]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/07/mit-quante...

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Magnetische Kontrolle per Handzeichen: Team entwickelt elektronische „Haut“ für virtuelle Realität
22.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungen

Transferkonferenz Digitalisierung und Innovation

22.01.2018 | Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Forschungsteam schafft neue Möglichkeiten für Medizin und Materialwissenschaft

22.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Ein Haus mit zwei Gesichtern

22.01.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics