Wissenschaftler der Universit?t Paderborn entwickeln neue Methode zur Berechnung molekularer Zust?nde
Quantencomputer geh?ren zu den zentralen Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts. Ihr Potenzial übertrifft selbst die besten Superrechner. Als leistungsf?higes Instrument haben sie sich insbesondere für die L?sung komplexer Rechenprobleme erwiesen – eine Aufgabe, bei der die klassische Hardware an ihre Grenzen st??t. Eine vielversprechende Anwendung für das Quantencomputing ist die Quantenchemie. Dabei wird beispielsweise die sogenannte elektronische Schr?dinger-Gleichung gel?st, um die atomare Struktur von Materialien oder Molekülen vorherzusagen. In der Forschung sind Computersimulationen für die Kl?rung solcher Fragen unerl?sslich. Mit numerischen Methoden ist das auf klassischen Computern allerdings nur begrenzt m?glich. Wissenschaftler der Universit?t Paderborn haben jetzt eine M?glichkeit gefunden, Simulationen mit gro?en Molekülen effizient auf Quantencomputern durchzuführen, was Aufschluss über ihre Energien und Kernkr?fte geben soll. 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 k?nnen. Damit soll u. a. die Fehlerrate minimiert werden. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich im Journal ?Physical Review Research“ ver?ffentlicht.
?Das Problem wird parallelisierbar“
Selbst wenn Quantencomputer einen Vorsprung in der L?sung komplexer Aufgaben haben, ben?tigen sie dafür extrem hohe Rechenressourcen. Eine effiziente Untersuchung der chemischen Eigenschaften stellt deshalb auch heute noch eine Herausforderung dar. Dennoch: Qubits, die Informationseinheiten beim Quantencomputing, machen es m?glich. Allerdings sind sie fehleranf?llig, es kommt zum sogenannten Quantenrauschen. Um dem zu begegnen, haben sich Prof. Dr. Thomas D. Kühne und seine Kollegen der Universit?t Paderborn etwas einfallen lassen: ?Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe wir die komplexen Berechnungen in mehrere kleine Untereinheiten aufgeteilt haben. Das reduziert die Anzahl der ben?tigten Qubits und macht das Problem parallelisierbar. Das bedeutet, die Berechnungen werden nacheinander durchgeführt“, erkl?rt Kühne, Leiter des Arbeitskreises Theoretische Chemie. Der ebenfalls am Projekt beteiligte Fachberater des neuen Hochleistungsrechenzentrums am Paderborn Center for Parallel Computing, Dr. Robert Schade, erg?nzt: ?So k?nnen auf einem Quantencomputer mit einer gegebenen Qubit-Anzahl viel gr??ere Moleküle als bisher simuliert und deren elektronische Struktur untersucht werden. Aufgrund seines besonderen Charakters besitzt der vorgeschlagene Algorithmus zudem eine hohe Rauschtoleranz. Das hei?t, die Berechnungen sind trotz des Rauschens numerisch stabil.“
Approximate Computing: Ungef?hre Resultate reichen aus
?Rauschen in den Kernkr?ften, die die Teilchen quasi zusammenhalten, kann in Simulationen im Sinne des approximativen Rechnens ausgeglichen werden. Dabei wird auf die Genauigkeit von Berechnungen zugunsten einer Reduktion der ben?tigten elektrischen Leistung oder der Laufzeit verzichtet. Man arbeitet also mit ungef?hren Resultaten, die die genauen ersetzen und v?llig ausreichend sind. Die Untersuchung der Darstellbarkeit sehr spezieller Quantenzust?nde, die Optimierung der Messprogramme und die Integration mit Molekulardynamikprogrammen sind Gegenstand zukünftiger Forschung“, erkl?rt Prof. Dr. Christian Plessl, Vorsitzender des Paderborn Center for Parallel Computing an der Universit?t Paderborn. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die von ihnen entwickelte Methode künftig für den Einsatz in Quantencomputern eignet.
Zum Artikel: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033160
