Las computadoras cuánticas prometen tiempos de computación significativamente más cortos para problemas complejos. Pero todavía hay solo unas pocas computadoras cuánticas en todo el mundo con un número limitado de los llamados qubits. Sin embargo, los algoritmos de la computadora cuántica ya pueden ejecutarse en servidores convencionales que simulan una computadora cuántica. Un equipo de HZB logró calcular los orbitales de electrones y su desarrollo dinámico en el ejemplo de una molécula pequeña después de la excitación de un pulso láser. En principio, el método también es adecuado para investigar moléculas más grandes que no se pueden calcular con métodos convencionales.

«Estos algoritmos de computadora cuántica se desarrollaron originalmente en un contexto completamente diferente. Los usamos aquí por primera vez para calcular las densidades de electrones de las moléculas, en particular también su evolución dinámica después de la excitación por un pulso de luz», dice Annika Bande, quien dirige un grupo de química teórica en HZB. Junto a Fabian Langkabel, que está haciendo su doctorado con Bande, ahora ha demostrado en un estudio lo bien que funciona.

Computadora cuántica sin errores

«Desarrollamos un algoritmo para una computadora cuántica ficticia y completamente libre de errores y lo ejecutamos en un servidor clásico que simula una computadora cuántica de diez Qbits», dice Fabian Langkabel. Los científicos limitaron su estudio a moléculas más pequeñas para poder realizar los cálculos sin una computadora cuántica real y compararlos con los cálculos convencionales.

Cálculo más rápido

De hecho, los algoritmos cuánticos produjeron los resultados esperados. Sin embargo, a diferencia de los cálculos convencionales, los algoritmos cuánticos también son adecuados para calcular moléculas significativamente más grandes con futuras computadoras cuánticas: «Esto tiene que ver con los tiempos de cálculo. Aumentan con la cantidad de átomos que componen la molécula», dice Langkabel.. Mientras que el tiempo de cómputo se multiplica con cada átomo adicional para los métodos convencionales, este no es el caso de los algoritmos cuánticos, que los hace mucho más rápidos.

Fotocatálisis, recepción de luz y más

El estudio muestra así una nueva forma de calcular las densidades de electrones y su «respuesta» a las excitaciones con luz por adelantado con una resolución espacial y temporal muy alta. Esto hace posible, por ejemplo, simular y comprender procesos de descomposición ultrarrápidos, que también son cruciales en las computadoras cuánticas hechas de los llamados puntos cuánticos. También son posibles las predicciones sobre el comportamiento físico o químico de las moléculas, por ejemplo, durante la absorción de la luz y la subsiguiente transferencia de cargas eléctricas. Esto podría facilitar el desarrollo de fotocatalizadores para la producción de hidrógeno verde con luz solar o ayudar a comprender los procesos en las moléculas receptoras sensibles a la luz en el ojo.