Die jüngste Aufregung um Quantencomputer hat oft ihr Potenzial hervorgehoben, die Quantenchemie zu revolutionieren – indem sie die Entdeckung von Arzneimitteln, die Materialwissenschaft und mehr beschleunigt. Eine neue Analyse deutet jedoch darauf hin, dass dieser Weg weitaus schwieriger sein könnte als bisher angenommen. Während das Quantencomputing rasante Fortschritte gemacht hat, bleibt die Frage, welche Anwendungen die massiven Investitionen wirklich rechtfertigen.
Das Versprechen und die Realität
Die Grundidee war logisch: Quantencomputer zeichnen sich dadurch aus, dass sie viele Quantenteilchen gleichzeitig verarbeiten können (wie Elektronen in Molekülen), was sie ideal für komplexe molekulare Energieberechnungen macht. Dies ist ein Problem, mit dem klassische Computer zu kämpfen haben, da der Rechenaufwand exponentiell mit der Größe des Moleküls wächst. Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass zwei führende Quantenalgorithmen möglicherweise nur begrenzten praktischen Nutzen haben.
Rauschen und Fehlertoleranz: Ein Haken
Forscher unter der Leitung von Xavier Waintal am CEA Grenoble untersuchten sowohl verrauschte Quantencomputer mittlerer Größe (NISQ) als auch hypothetische fehlertolerante Maschinen. Für NISQ-Geräte kann der Variational Quantum Eigensolver (VQE)-Algorithmus molekulare Energieniveaus berechnen, jedoch nur, wenn das Quantenrauschen (Fehler) auf ein unpraktisches Maß unterdrückt wird. Um VQE mit den Algorithmen der klassischen Chemie konkurrenzfähig zu machen, bräuchte man im Wesentlichen einen nahezu fehlerfreien Quantencomputer – den es noch nicht gibt.
Die Alternative, Quantum Phase Estimation (QPE), ist für fehlertolerante Maschinen vielversprechend, leidet aber unter dem, was Forscher als „Orthogonalitätskatastrophe“ bezeichnen. Das bedeutet, dass mit zunehmender Größe der Moleküle die Wahrscheinlichkeit, ihre niedrigsten Energieniveaus genau zu berechnen, exponentiell sinkt. Selbst mit idealen Quantencomputern wird QPE nur in einer begrenzten Anzahl von Fällen wirksam sein.
Implikationen und Alternativen
Laut Thibaud Louvet von Quobly sollte die Machbarkeit von QPE als Maßstab für die Quantenreife und nicht als gängiges chemisches Werkzeug angesehen werden. George Booth vom King’s College London, der nicht an der Studie beteiligt war, stimmt zu: „Man kann die Aussichten von Quantencomputern leicht überbewerten … Diese Studie lässt Zweifel aufkommen, ob die Quantenchemie wirklich ein so schneller Erfolg ist.“
Trotz dieses Rückschlags haben Quantencomputer in der Chemie immer noch Potenzial. Ein vielversprechender Bereich ist die Simulation, wie chemische Systeme auf Störungen (wie Laserlicht) reagieren, was sich als zugänglicher erweisen könnte als reine Energieberechnungen.
Die Studie zeigt, dass der Weg zur Quantenüberlegenheit in der Chemie deutlich komplexer ist als zunächst erwartet, was eine Neubewertung der Investitionsprioritäten auf diesem Gebiet erfordert.
