Fortschritte im Quantencomputing versprechen schnellere Wirkstoffforschung und Materialwissenschaft
Durchbrüche im Quantencomputing in China und neue Quantenchemie-Software zeigen das Potenzial, die Wirkstoffforschung, Materialwissenschaft und komplexe molekulare Simulationen von Wochen auf Minuten zu beschleunigen.
Chinesische Wissenschaftler haben einen seltenen Zwischenzustand in einem Quantensystem beobachtet und kontrolliert und damit das Quantenchaos effektiv verlangsamt. Mit dem 78-Qubit-Supraleiter-Prozessor Chuang Tzu 2.0 demonstrierten die Forscher, wie eine vorübergehend stabile Phase verlängert oder verkürzt werden kann.
Das Team identifizierte ein Prethermalisierungsplateau, eine kurze Periode, in der das System dem Chaos widersteht, bevor es schnell in volle Komplexität abgleitet. Durch sorgfältige Anpassung der Steuerungssequenzen konnten die Wissenschaftler die Rate der Quantendekohärenz einstellen und kontrollieren, wie sich Informationen ausbreiten. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse bieten ein potenzielles Zeitfenster zur Erhaltung fragiler Quanteninformationen. Längere Kohärenzzeiten könnten die Zuverlässigkeit von Quantencomputing und Fehlerkorrekturverfahren erheblich verbessern.
Die Forscher erklären, dass die Arbeit auch den Vorteil von Quantenprozessoren bei der Simulation von Phänomenen hervorhebt, die für klassische Supercomputer zu komplex sind. Die Anwendungen reichen von Wirkstoffforschung und moderner Materialwissenschaft bis hin zu sicherer Kommunikation der nächsten Generation.
Eine leistungsstarke Quantenchemie-Engine steht nun zur Verfügung, die Wissenschaftlern bei der Bewältigung komplexer chemischer Probleme helfen kann. Das Extreme-scale Electronic Structure System (EXESS) kann mehr als 1 Trillion Berechnungen pro Sekunde durchführen, um Fragen der Quantenchemie zu beantworten. Die neue Technologie könnte die Forschung in der Wirkstoffforschung, Materialwissenschaft und anderen Bereichen drastisch beschleunigen.
Quantenchemische Berechnungen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Medikamente und Materialien. Forscher nutzen beispielsweise quantenchemische Simulationen, um zu verstehen, wie Medikamente mit molekularen Bindungsstellen im Körper interagieren. Dieses Verständnis kann Forschern helfen, das Wirkstoffmolekül zu modifizieren, um die Geschwindigkeit und Effizienz dieser Bindung zu optimieren.
Die benötigte Rechenleistung skaliert exponentiell mit der Anzahl der Atome im System. Die genaue Lösung von Problemen mit großen Molekülen wie Proteinen, die Tausende von Atomen enthalten können, wird schnell unhaltbar. EXESS arbeitet 3.000- bis 4.000-mal schneller als viele andere quantenchemische Softwarepakete und ermöglicht Berechnungen mit großen Molekülen wie Proteinen. Es gibt keine einzelne Innovation, die diesen enormen Anstieg bewirkt, und das System läuft auf konventioneller Hardware — Quantencomputer werden also nicht benötigt.
Eine Methode, mit der das Team die Berechnungen beschleunigte, war die gleichzeitige Ausführung mehrerer Operationen. Viele quantenchemische Algorithmen sind für sequenzielle Schritte konzipiert. Das Team fand Wege, die Algorithmen oder theoretischen Ansätze so zu verändern, dass mehr Prozesse parallel ausgeführt werden können. Das Team implementierte eine Technik namens Molekülfragmentierung, die ein Problem in kleinere Fragmente zerlegt, diese Fragmente gleichzeitig berechnet und die Teile dann wieder zusammensetzt. Dies ermöglichte es, große Berechnungen durch die gleichzeitige Ausführung vieler kleinerer Berechnungen zu beschleunigen.
Es gibt Berechnungen, die im Prinzip etwa einen Monat dauern würden und mit EXESS tatsächlich nur etwa 12 Minuten benötigen. Das Unternehmen konzentriert sich derzeit auf den Einsatz von EXESS in der Wirkstoffforschung, um Wechselwirkungen zwischen Medikamenten und dem Körper zu finden und zu optimieren oder besser zu verstehen, wie bestehende Medikamente funktionieren und warum Menschen Resistenzen gegen sie entwickeln. Das Unternehmen bietet kostenlosen Zugang für genehmigte Forschungsprojekte an. Eine eingeschränkte Version der Software ist auch für die allgemeine Öffentlichkeit verfügbar.
Wirkstoffforschung, die Entwicklung neuer Batteriechemien, Materialsimulationen und Betrugserkennung gehören zu den wichtigsten Anwendungsbereichen für Quantencomputer. Quantencomputing gilt als einer der Top-Kandidaten unter den Technologiestrategien und wird weltweit von Regierungen vorangetrieben. Der Markt für Quantencomputing soll bis 2046 21 Milliarden US-Dollar überschreiten, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26,7 %.
Die Entwicklung größerer und leistungsfähigerer Quantenchips ist nun im Gange. Die Beherrschung solcher Übergangszustände wird entscheidend sein, um das volle Potenzial der Quantentechnologien auszuschöpfen.