Weltneuheit in der Quantensimulation ermöglicht die Analyse komplexer Molekülstrukturen
Quantensimulation revolutioniert die Molekülforschung: Ein neuer Mikroprozessor-Chip ermöglicht die effiziente Analyse komplexer Strukturen für die Quantenchemie und die medizinische Forschung.
PolyU-Wissenschaftler nutzen Quantenmikroprozessor-Chips für revolutionäre Simulation der Molekularspektroskopie.
Foto: 2024 Research and Innovation Office, The Hong Kong Polytechnic University
Die Quantensimulation gewinnt zunehmend an Bedeutung, da sie es der Wissenschaft ermöglicht, hochkomplexe Systeme zu analysieren, die mit herkömmlichen Computern nur schwer oder gar nicht zu handhaben sind. Diese Technologie wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Finanzmodellierung, der Cybersicherheit, der pharmazeutischen Forschung und der künstlichen Intelligenz.
Insbesondere in der Molekülspektroskopie, einem zentralen Bereich der Chemie, bietet die Quantensimulation enorme Vorteile. Um die molekularen Eigenschaften von Substanzen besser zu verstehen und neue Moleküle zu entwickeln, ist die Simulation von Molekülspektren von entscheidender Bedeutung. Klassische Supercomputer waren bisher nicht in der Lage, diese Aufgabe effizient zu lösen. Das könnte sich nun ändern.
Neuer Quantenmikroprozessor-Chip soll es möglich machen
Ein Forschungsteam der Polytechnischen Universität Hongkong (PolyU) hat bei der Quantensimulation von Molekülstrukturen einen bedeutenden Fortschritt erzielt. Unter der Leitung von Professor Liu Ai-Qun, einem Experten auf dem Gebiet der Quantentechnik, hat das Team einen Quanten-Mikroprozessor-Chip entwickelt, der komplexe Molekülstrukturen simulieren kann – eine absolute Weltneuheit. Mit diesem Chip können Forschende nun Molekülspektren analysieren, deren Modellierung bisher extrem rechenintensiv und kaum realisierbar war.
Eine besondere Herausforderung bei der Simulation sind die dabei auftretenden Quanteneffekte wie Überlagerung und Verschränkung. Um diese zu erfassen, hat das Forschungsteam ein neues theoretisches Modell entwickelt, das auf einem photonischen Netzwerk und Quantenlichtquellen basiert.
Ein komplexes System auf kleinstem Raum
Der von PolyU entwickelte Quanten-Mikroprozessor-Chip ist das Ergebnis jahrelanger intensiver Forschung. Das Team um Dr. Zhu Hui Hui, Postdoktorand an der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, hat den Chip experimentell demonstriert und ein theoretisches Modell vorgestellt, mit dem sich erstmals große und komplexe Moleküle simulieren lassen. Der Chip besteht aus einem 16-Qubit-Quantenmikroprozessor und bildet die Grundlage für ein komplettes System, das sowohl Hardware als auch Software umfasst.
Dieses System umfasst die Integration eines optisch-elektrisch-thermischen Gehäuses, eines elektrischen Steuermoduls und einer Software zur Steuerung und Programmierung der Quantenalgorithmen. Die vollständig programmierbare Architektur des Systems stellt einen entscheidenden Fortschritt dar und ebnet den Weg für zukünftige Anwendungen in der Quantenchemie.
Anwendungen mit enormem Potenzial
Die Anwendungsmöglichkeiten des Quantenmikroprozessors sind laut Forschungsteam vielfältig. Eine der vielversprechendsten Anwendungen ist die Simulation großer Proteinstrukturen. Solche Simulationen sind für die medizinische Forschung von großer Bedeutung, da sie neue Einblicke in die Funktionsweise von Proteinen und deren Wechselwirkungen ermöglichen. Auch die Optimierung molekularer Reaktionen könnte durch den Einsatz des Chips erheblich beschleunigt und präzisiert werden.
Laut Dr. Zhu könnte dieser Ansatz zu einer ersten Generation praktischer molekularer Simulationen führen, die die Grenzen klassischer Computer überwinden. Dies würde eine signifikante Beschleunigung in relevanten Bereichen der Quantenchemie ermöglichen.
So soll es weitergehen
Die Forschungsergebnisse des PolyU-Teams sind nicht nur für die wissenschaftliche Gemeinschaft von großer Bedeutung, sondern könnten auch weitreichende praktische Anwendungen finden, glaubt das Forschungsteam. Dazu gehören unter anderem die Lösung komplexer molekularer Docking-Probleme oder der Einsatz von Quanten-Maschinenlernverfahren, etwa bei der Klassifizierung von Graphen.
Professor Liu betont die langfristigen Auswirkungen dieser Technologie: „Unsere Forschung ist von den potenziellen realweltlichen Anwendungen der Quantensimulation inspiriert. In der nächsten Phase wollen wir den Mikroprozessor weiterentwickeln und komplexere Anwendungen in Angriff nehmen, die sowohl der Industrie als auch der Gesellschaft zugutekommen werden.“
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