Vetenskapen och IT -industrin har stora förhoppningar om kvantberäkning, men beskrivningar av möjliga tillämpningar tenderar att vara vaga. Forskare vid ETH Zürich har nu kommit med ett konkret exempel som visar vad kvantdatorer faktiskt kommer att kunna uppnå i framtiden.

Specialister förväntar sig inget mindre än en teknisk revolution från kvantdatorer, som de hoppas snart kommer att tillåta dem att lösa problem som för närvarande är för komplexa för klassiska superdatorer. Vanligt diskuterade tillämpningsområden inkluderar datakryptering och dekryptering, liksom speciella problem inom fysiken, kvantkemi och materialforskning.

Men när det gäller konkreta frågor som bara kvantdatorer kan svara på, experter har varit relativt vaga. Forskare från ETH Zürich och Microsoft Research presenterar nu en specifik applikation för första gången i den vetenskapliga tidskriften PNAS :utvärdering av en komplex kemisk reaktion. Baserat på detta exempel, forskarna visar att kvantdatorer verkligen kan leverera vetenskapligt relevanta resultat.

Ett team av forskare under ledning av ETH -professorerna Markus Reiher och Matthias Troyer använde simuleringar för att visa hur en komplex kemisk reaktion kan beräknas med hjälp av en kvantdator. För att åstadkomma detta, kvantdatorn måste ha en "måttlig storlek", säger Matthias Troyer, som är professor för beräkningsfysik vid ETH Zürich och för närvarande arbetar för Microsoft. Mekanismen för denna reaktion skulle vara nästan omöjlig att bedöma med en klassisk superdator ensam - särskilt om resultaten ska vara tillräckligt exakta.

En av de mest komplexa enzymerna

Forskarna valde en särskilt komplex biokemisk reaktion som exempel för sin studie:tack vare ett speciellt enzym som kallas nitrogenas, vissa mikroorganismer kan dela atmosfäriska kvävemolekyler för att skapa kemiska föreningar med enstaka kväveatomer. Det är fortfarande okänt hur exakt nitrogenasreaktionen fungerar. "Detta är ett av de största olösta mysterierna inom kemi, "säger Markus Reiher, Professor för teoretisk kemi vid ETH Zürich.

Datorer som finns tillgängliga idag kan beräkna beteendet hos enkla molekyler ganska exakt. Dock, detta är nästan omöjligt för nitrogenasenzymet och dess aktiva centrum, vilket helt enkelt är för komplext, förklarar Reiher.

I detta sammanhang, komplexitet är en reflektion av hur många elektroner som interagerar med varandra inom molekylen över relativt långa avstånd. Ju fler elektroner en forskare behöver ta hänsyn till, desto mer sofistikerade beräkningar. "Befintliga metoder och klassiska superdatorer kan användas för att bedöma molekyler med högst 50 starkt interagerande elektroner, "säger Reiher. Men det finns ett betydligt större antal sådana elektroner vid den aktiva mitten av ett nitrogenasenzym. För med klassiska datorer fördubblas den ansträngning som krävs för att utvärdera en molekyl med varje ytterligare elektron, en orealistisk mängd beräkningskraft behövs.

En annan datorarkitektur

Som visats av ETH -forskarna, hypotetiska kvantdatorer med bara 100 till 200 kvantbitar (qubits) kommer potentiellt att kunna beräkna komplexa delproblem inom några dagar. Resultaten av dessa beräkningar skulle sedan kunna användas för att bestämma reaktionsmekanismen för nitrogenas steg för steg.

Att kvantdatorer överhuvudtaget kan lösa sådana utmanande uppgifter beror delvis på att de är strukturerade annorlunda än klassiska datorer. Istället för att kräva dubbelt så många bitar för att bedöma varje ytterligare elektron, kvantdatorer behöver helt enkelt ytterligare en qubit.

Dock, det återstår att se när sådana "måttligt stora" kvantdatorer kommer att finnas tillgängliga. De för närvarande existerande experimentella kvantdatorer använder i storleksordningen 20 rudimentära qubits. Det kommer att ta minst fem år till, eller troligen tio, innan vi har kvantdatorer med processorer med mer än 100 qubits av hög kvalitet, uppskattar Reiher.

Massproduktion och nätverk

Forskare betonar det faktum att kvantdatorer inte kan hantera alla uppgifter, så de kommer att fungera som ett komplement till klassiska datorer, snarare än att byta ut dem. "Framtiden kommer att formas av samspelet mellan klassiska datorer och kvantdatorer, säger Troyer.

När det gäller nitrogenasreaktionen, kvantdatorer kommer att kunna beräkna hur elektronerna fördelas inom en specifik molekylstruktur. Dock, klassiska datorer kommer fortfarande att behöva berätta för kvantdatorer vilka strukturer som är av särskilt intresse och därför bör beräknas. "Kvantdatorer måste mer betraktas som en samprocessor som kan ta över specifika uppgifter från klassiska datorer, så att de kan bli mer effektiva, säger Reiher.

Att förklara mekanismen för nitrogenasreaktionen kommer också att kräva mer än bara information om elektronfördelningen i en enda molekylstruktur; verkligen, denna fördelning måste bestämmas i tusentals strukturer. Varje beräkning tar flera dagar. "För att kvantdatorer ska kunna användas för att lösa den här typen av problem, de måste först massproduceras, vilket gör att beräkningar kan ske på flera datorer samtidigt, säger Troyer.