IBM-Wissenschaftler haben bahnbrechende Algorithmen entwickelt, die unser Verständnis komplexer chemischer Prozesse durch Quantencomputing revolutionieren.
Diese Fortschritte eröffnen Türen zu praktischen Anwendungen in Medizin, Materialwissenschaften und Energieerzeugung, wie die Forscher betonen.
Das Team simulierte mit einem Sieben-Qubit-Quantenprozessor das Molekül Berylliumhydrid (BeH2) – das bisher größte Molekül, das auf einem Quantencomputer berechnet wurde, um seine Molekularstruktur zu entschlüsseln.
Ein effizienter Algorithmus minimierte die benötigten Quantenoperationen. Mit sechs Qubits maßen sie den Grundzustand von BeH2, ein entscheidender Faktor für chemische Reaktionen.
Während BeH2 klassisch simuliert werden kann, skaliert der IBM-Ansatz auf größere Moleküle, die klassische Computer überfordern – Voraussetzung sind leistungsstärkere Quantensysteme. Die Ergebnisse zieren das Titelblatt der renommierten Fachzeitschrift Nature.
Das Paper demonstriert „die experimentelle Optimierung von Hamilton-Problemen mit bis zu sechs Qubits und über hundert Pauli-Termen zur Bestimmung der Grundzustandsenergie größerer Moleküle bis hin zu BeH2“.
„Unser Schema unterscheidet sich von früheren Quantensimulationsalgorithmen, die klassische Methoden auf Quantenhardware übertragen, ohne die Overhead-Probleme aktueller Geräte optimal zu adressieren“, erklären die IBM-Forscher in einem Blogbeitrag.
IBM führte die Metrik „Quantum Volume“ ein, um die Leistungsfähigkeit zu messen – unter Berücksichtigung von Qubit-Anzahl, Qualität, Konnektivität und Fehlerraten.
Dario Gil, Vizepräsident für KI-Forschung und IBM Q, betont: „Diese Ergebnisse zeigen, dass Quantencomputer unser Wissen über natürliche Phänomene erweitern können.“
„In den kommenden Jahren übertreffen IBM Q-Systeme konventionelle Computer und werden zu unverzichtbaren Werkzeugen für Experten in Chemie, Biologie, Gesundheitswesen und Materialwissenschaften.“
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Alán Aspuru-Guzik, Professor für Chemie und chemische Biologie an der Harvard University, prognostiziert: Wenn Quantencomputer chemische Simulationen numerisch exakt ausführen – mit Fehlkorrektur und vielen logischen Qubits –, wird das Feld revolutioniert. „Exakte Vorhersagen ermöglichen Moleküldesign ohne experimentelle Kalibrierung und führen zur Entdeckung neuer Arzneimittel oder Materialien.“
Für zukünftige Anwendungen erwartet IBM eine Hybridnutzung: Einfache Teile auf klassischen Computern, anspruchsvolle Aufgaben auf Quantenhardware.
Bildquelle: IBM