Quantenmechanische Molekülstruktur zur Berechnung mit Quantencomputern
Beschreibung
Motivation
Die Eigenschaften stark korrelierter Elektronensysteme wie z. B. übergangsmetallhaltiger Oxide können auf konventionellen Hochleistungsrechnern nicht mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden. Auf einem Quantencomputer hingegen können fundamental neue Methoden verwendet werden, die eine hochgenaue Simulation erlauben. Derartige Simulationen können die Entwicklungsprozesse neuer Materialien revolutionär beschleunigen. Allerdings muss davon ausgegangen werden, dass in den kommenden Jahren ausschließlich "noisy intermediate scale" Quantencomputer (NISQ) ohne Fehlerkorrektur und mit moderater Anzahl von Qubits (~100) zur Verfügung stehen. Dennoch ist bereits auf diesen NISQ Quantencomputern im Bereich der Materialsimulation und Quantenchemie ein signifikanter Vorteil hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit gegenüber konventionellen Hochleistungsrechnern zu erwarten.
Ziele und Vorgehen
Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung von hocheffizienten Algorithmen und Workflows, welche den industriellen Einsatz von NISQ Quantencomputern im Bereich der Materialentwicklung und Quantenchemie ermöglichen, und diese in Form von Softwarepaketen umzusetzen. Aufgrund der Fehleranfälligkeit aktueller NISQ wird der Fokus des Projekts auf die Implementierung von sogenannten hybriden Algorithmen gelegt. Hier werden Quanten‐ und klassische Computer in einem engen Zusammenspiel eingesetzt, um die beschränkten Ressourcen und Fähigkeiten zeitnaher Quantencomputer optimal zu nutzen.
Innovation und Perspektiven
Sobald geeignete NISQ zur Verfügung stehen, können mit den hier entwickelten hochgenauen Simulationsmethoden sowohl neuartige hochgradig industrierelevante übergangsmetallhaltige Materialien entwickelt als auch assoziierte chemische Prozesse verständnisbasiert optimiert werden, sodass ein signifikanter Wettbewerbsvorteil für zukünftige Hightech‐Produkte „Made in Germany“ entsteht.
