Rekenen aan complexe chemische reactiemechanismes zou zomaar een killer application van kwantumcomputers kunnen worden. Op papier ziet het er in elk geval goed uit, schrijven Matthias Troyer en collega’s van Microsoft en de ETH Zürich in een publicatie die deze week door PNAS online is gezet. Een eerdere niet-gepeerreviewde versie staat overigens al een jaar gratis ter inzage op de arXiv-preprintserver.

In de publicatie demonstreert Troyer het aan de hand van biologische stikstofbinding, het natuurlijke proces waarbij bacteriële nitrogenase-enzymen N2-gas uit de lucht omzetten in NH3 waar ándere enzymen weer iets mee kunnen. Zulke enzymatische reacties zijn een krachtenspel tussen grote aantallen atomen (op de afbeelding is elk stipje er één!), en ook met de krachtigste supercomputers kun je ze niet exact doorgronden.

In de praktijk kom je niet verder dan aannemen hoe het ongeveer zou kunnen werken, en dan met computersimulaties checken of je aannames ongeveer kunnen kloppen of dat het anders in elkaar moet zitten. Zelfs dát kost zeeën van rekentijd.

Of kwantumcomputers op dit vlak beter presteren is afwachten. Het duurt immers nog wel even eer die daadwerkelijk kunnen worden gebouwd, ook al wordt er hard aan gewerkt. Maar op basis van wat er bekend is over de (on)mogelijkheden van kwantumberekeningen denken Troyer en collega’s te kunnen voorspellen dat je er wel degelijk iets aan hebt.

Ze willen daarbij de kwantumcomputer slechts een deel van de simulaties laten doen, namelijk het berekenen van Hamiltoniaanse energieniveaus. Dat is dan ook het échte kwantummechanische deel van het verhaal. Het klaarzetten van je aannames over de eiwitstructuur laat je over aan een klassieke computer, net als het uitvoeren van correcties achteraf.

Troyer voorspelt dat zelfs bescheiden, betaalbare kwantumcomputers zulke berekeningen ooit zullen kunnen uitvoeren in een acceptabel tempo. Met de hoopvolle slotopmerking dat het beter doorgronden van industriële katalytische reacties wel eens voldoende geld zou kunnen opleveren om de ongetwijfeld torenhoge kosten te dekken.

bron: PNAS, arXiv

Onderwerpen