Die Quantenchemie arbeitet an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie und konzentriert sich auf molekulare Systeme, d.h. sie beschreibt Moleküle und deren Reaktionsf?higkeit. Die Verwendung von Quantencomputern verspricht hier bei bestimmten Berechnungsproblemen schneller und genauer zu einem Ergebnis zu kommen, z.B. bei der Simulation von Molekülreaktionen.

KI unterstützt Quantencomputing

KI-Verfahren eignen sich besonders dann, wenn bei Simulationsprozessen oder Vorhersagen eine pr?zise mathematische Modellierung schwierig bzw. unm?glich ist, Daten aber mit geringem Aufwand erzeugt werden k?nnen. Hier setzt das Projekt KID-QC^2 (KI-gestütztes Design für skalierbare, effiziente und hoch strukturierte Quantenschaltkreise für Quantenchemie) mit Methoden der Künstlichen Intelligenz an.

In Zusammenarbeit mit dem Team von Dr. Daniel Scherer Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS wird das Team um Prof. Dr. Jakob Kottmann, Professor für Quantenalgorithmik an der Fakult?t für Angewandte Informatik der Universit?t Augsburg, den Einsatz von KI-Methoden erforschen, die das Design von Quantenschaltkreisen – also die zeitlichen Abfolgen von elementaren Quantenrechenoperationen – für quantenchemische Berechnungen spezieller Anwendungen und Hardwareplattformen automatisieren und optimieren.
In dem Projekt sollen KI-gestützte Werkzeuge zielgerichtet für diese Anwendungen weiterentwickelt werden, so dass künftig mit Quantencomputern Berechnungen genauer durchgeführt werden k?nnen.

Die Kombination aus KI und Quantenalgorithmik macht es passend

Bisher setzte man bei der Berechnung und Simulation dieser quantenchemischen Systeme auf klassische Rechenverfahren. Mit steigender Komplexit?t und wachsenden Korrelationen der molekularen Systeme sto?en diese klassischen Berechnungsverfahren jedoch an ihre Grenzen. Berechnungsverfahren, die auf den Einsatz von Quantencomputern zurückgreifen, k?nnen hier eine L?sung bieten.

Um die Quantenhardware optimal für die Erforschung chemisch-physikalischer Systemen zu nutzen, sind h?ufig gro?e Optimierungsprobleme zu l?sen. Das hei?t, dass es beispielsweise bei der ?berführung einer Rechenoperationsbeschreibung in eine auf einem Quantenrechner ausführbaren Befehlsreihenfolge zu Problemen kommt, die das Rechenergebnis verf?lschen k?nnen.
Aktuell verfügbare Quantencomputer weisen n?mlich noch starke Limitierungen auf. Sie lassen den Einsatz von Quantencomputing basierten Berechnungsverfahren für quantenchemische Fragestellungen z.B. für die Berechnung chemischer Eigenschaften bisher nicht im gro?en Ma?stab zu. So ist die Anzahl an zur Verfügung stehenden Qubits begrenzt, zudem k?nnen aufgrund der fehleranf?lligen Quantenhardware nur wenige elementare Quantenrechenoperationen ausgeführt werden. Zwar wurden bereits ?handgemachte“ L?sungsverfahren entwickelt. Diese sind aber zeitaufwendig und in der Regel nicht auf allgeminere Probleminstanzen übertragbar – und bieten somit oft keine optimale L?sung. Au?erdem k?nnen sie nur schwer z.B. an die Charakteristika der jeweiligen Hardware wie Rechenkapazit?t, Berechnungsabfolge oder Komplexit?t angepasst werden.

Vom Bayerischen Wirtschaftsministerium gef?rdert

Das KID-QC^2-Projekt wird mit 1,03 Millionen Euro als Leuchtturmprojekt des Munich Quantum Valleys vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gef?rdert und l?uft bis Ende 2026. Der Lehrstuhl für Quantenalgorithmik an der Universit?t Augsburg tr?gt die innovativen quantenalgorithmischen Verfahren für quantenchemische Berechnungen mittels Abstraktionsverfahren in automatisierter Software bei. Das Fraunhofer IIS leitet dieses Konsortium und bringt seine Expertise für KI-Methoden sowie für die Entwicklung von Software-Werkzeugen für Quantencomputer ein.

Weitere Informationen

Zur Professur für Quantenalgorithmik:
www.uni-augsburg.de/de/fakultaet/fai/informatik/prof/qalg/

Zu den Software-Werkzeugen der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jakob Kottmann:

www.uni-augsburg.de/de/fakultaet/fai/informatik/prof/qalg/software/