Quanten-Algorithmen sparen Zeit bei der Berechnung von Elektronendynamik
Durch die Berechnungen lassen sich die Elektronendichten sowie die Veränderungen nach Anregung mit hohen Orts- und Zeitauflösungen ermitteln. Hier ist am Beispiel des Moleküls Lithiumhydrid die Verschiebung von Elektrondichte vom Cyanid (rot) zum Lithium (grün) während eines Laserpulses zu erkennen. © F. Langkabel / HZB
Quantencomputer versprechen erheblich kürzere Rechenzeiten für komplexe Probleme. Aber noch gibt es weltweit nur wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl so genannter Qubits. Quantencomputer-Algorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein HZB-Team hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet. Die Methode eignet sich auch, um größere Moleküle zu untersuchen, die mit konventionellen Methoden nicht mehr berechnet werden können.
„Diese Quantencomputer-Algorithmen sind ursprünglich in einem ganz anderen Kontext entwickelt worden. Wir haben sie hier erstmals genutzt, um Elektronendichten von Molekülen zu berechnen, insbesondere auch ihre dynamische Entwicklung nach Anregung durch einen Lichtpuls,“ sagt Annika Bande, die am HZB eine Gruppe zur theoretischen Chemie leitet. Zusammen mit Fabian Langkabel, der bei Bande promoviert, zeigte sie nun in einer Studie, wie gut dies funktioniert.
Fiktiver Quantencomputer
„Wir haben einen Algorithmus für einen fiktiven, völlig fehlerfreien Quantencomputer entwickelt, und ihn auf einem klassischen Server laufen lassen, der einen Quantencomputer von zehn Qbits simuliert,“ sagt Fabian Langkabel. Dabei begrenzten sie ihre Studie auf kleinere Moleküle, um die Rechnungen auch ohne echten Quantencomputer durchführen zu können und mit konventionellen Berechnungen zu vergleichen.
Weniger Rechenzeit
Sie konnten zeigen, dass auch die Quantenalgorithmen die erwarteten Ergebnisse produzierten. Im Unterschied zu konventionellen Berechnungen eignen sich die Quantenalgorithmen jedoch auch, um mit zukünftigen Quantencomputer deutlich größere Moleküle zu berechnen: „Das hat mit den Rechenzeiten zu tun. Sie steigen mit der Anzahl der Atome, aus denen das Molekül besteht“, sagt Langkabel. Während die Rechenzeit sich mit jedem zusätzlichen Atom für konventionelle Verfahren vervielfacht ist das für Quantenalgorithmen nicht der Fall, was sie sehr viel schneller macht.
Zerfallsprozesse, Photokatalyse oder Rezeptormoleküle
Die Studie zeigt damit einen neuen Weg, um Elektronendichten und ihre „Antwort“ auf Anregungen mit Licht mit sehr hoher Orts- und Zeitauflösung vorab zu berechnen. Damit lassen sich beispielsweise ultraschnelle Zerfallsprozesse simulieren und verstehen, die auch bei Quantencomputern aus so genannten Quantenpunkten entscheidend sind. Aber auch Vorhersagen zum physikalischen oder chemischen Verhalten von Molekülen sind möglich, zum Beispiel während der Aufnahme von Licht und dem anschließenden Transfer von elektrischen Ladungen. Dies könnte die Entwicklung von Photokatalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff mit Sonnenlicht erleichtern oder dabei helfen, Prozesse in den lichtempfindlichen Rezeptormolekülen im Auge zu verstehen.
- Katalysatorplattform verbessert das Verständnis von arbeitenden KatalysatorenEine neuartige Katalysatorplattform, bekannt als Laterally Condensed Catalysts (LCC), wurde entwickelt, um das Design und die Analyse der funktionalen Schnittstelle zu ermöglichen, die die aktive Phase mit ihrer Unterstützung verbindet. Diese Schnittstelle beeinflusst nicht nur die chemischen Eigenschaften der reaktiven Schnittstelle, sondern kontrolliert auch deren Stabilität und damit die Nachhaltigkeit der katalytischen Materialien. Die Entwicklung wurde wesentlich durch die Anwendung von operando-Spektroskopie am Synchrotron BESSY II unterstützt, die es ermöglichte, die dynamischen Prozesse und Strukturen unter Reaktionsbedingungen zu beobachten und zu verstehen.
- Weniger ist mehr: Warum ein sparsamer Iridium-Katalysator so gut funktioniertFür die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.
- Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiertEin internationales Team hat an BESSY II erstmals beobachtet, wie schwere Moleküle (Bromchlormethan) in kleinere Fragmente zerfallen, wenn sie Röntgenlicht absorbieren. Mit einer neu entwickelten Analysemethode gelang es ihnen, die ultraschnelle Dynamik dieses Prozesses sichtbar zu machen. Dabei lösen die Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ aus: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse, die von einem Katapult abgeschossen werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – sich deutlich langsamer trennen.