Computer der Zukunft

Wie Quantencomputer chemische Reaktionsprozesse revolutionieren

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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“, so 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“, erklärt 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“, so Troyer.

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