"Das Verständnis statischer molekularer Eigenschaften ist wie das Kennen von Start- und Endpunkt einer Bergwanderung, aber die Simulation chemischer Dynamik erfordert ein Verständnis jeder einzelnen Windung des Pfades", erklärt Professor Ivan Kassal. In einer bahnbrechenden Leistung haben Forscher der Universität Sydney, Australien, erfolgreich die ultraschnellen Wechselwirkungen von Licht mit realen Molekülen mithilfe eines gefangenen Ionen-Quantencomputers simuliert. Dieser Durchbruch, der 2024 bekannt gegeben wurde, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Quantencomputertechnik und Chemie dar.
Herkömmliche Computer haben Schwierigkeiten, diese schnellen Prozesse zu modellieren, da sie immense Rechenressourcen benötigen. Der innovative Ansatz des Teams der Universität Sydney verwendet eine hocheffiziente analoge Quantensimulationsmethode. Diese Methode komprimiert die Simulation auf deutlich weniger Hardware-Ressourcen, wodurch sie etwa eine Million Mal effizienter ist als Standard-Quantencomputermethoden.
Die Forscher entwickelten ein neuartiges Codierungsschema, um die zeitabhängige Entwicklung molekularer Quantenzustände auf das gefangene Ionensystem abzubilden. Dies ermöglicht die originalgetreue Reproduktion ultraschneller photochemischer Ereignisse durch eine Zeitdilatation um den Faktor 100 Milliarden. Dieser Durchbruch hat weitreichende Auswirkungen auf Medizin, Energie und Materialwissenschaften.
Genaue Echtzeitsimulationen von photoinduzierten molekularen Prozessen sind der Schlüssel zur Erschließung von Innovationen in verschiedenen Bereichen. In der Medizin könnte das Verständnis photodynamischer Therapien auf Quantenebene die Entwicklung hochspezifischer Behandlungen für Krebs und Hauterkrankungen beschleunigen. Eine verbesserte Modellierung von Solarenergiesystemen kann zu effizienteren, nachhaltigeren Technologien führen.
Dr. Tingrei Tan betont das transformative Potenzial dieser Quantensimulationen und merkt an, dass die Quantentechnologie exponentielle Geschwindigkeitssteigerungen und Ressourceneffizienz bietet. Dieses Experiment weist auf eine Zukunft hin, in der Quantencomputer routinemäßig Probleme angehen, die außerhalb der klassischen Reichweite liegen. Die Fähigkeit, ganze chemische Umwandlungen in Echtzeit zu simulieren, bietet ein beispielloses Werkzeug zur Lösung drängender globaler Herausforderungen.