• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025 | Heidi Thode

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025 | Heidi Thode

Foto: Wikimedia

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)

Af Lea K. Northcote1,2 og Gemma C. Solomon1
1 Kemisk Institut og NNF Quantum Computing Programme, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet
2 Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology

Kvantecomputere bliver ofte udråbt som løsningen på problemer, der i dag er umulige at løse i kemi og biologi. Forestillingen er fristende: At én enkelt beregning vil kunne afsløre molekylers opførsel med en hidtil uset præcision. Men sådan fungerer kemi sjældent. I modsætning til matematik og fysik, hvor en enkelt “heroisk” beregning kan føre til nye opdagelser, kræver kemi som regel mere. Her er det ofte en iterativ proces, hvor eksperimenter, teori og simuleringer arbejder sammen, guidet af en menneskelig eller kunstig processering af data.
I et nyt studie viser vi, hvordan en særlig type kvantealgoritme, der bygger på en repeated interaction-model, kan simulere kemiske reaktioner i åbne kvantesystemer [1].
Dette bringer os et skridt nærmere realistiske kvantesimuleringer af kemiske processer. Som testcase valgte vi elektronoverførsel; en kompleks, men også velbeskrevet proces i litteraturen. Vores resultater viser, at kvantesimuleringer af kemisk dynamik med realistiske parametervalg er inden for rækkevidde, og at én beregning sjældent er nok.

Når én beregning ikke er nok
I matematik og visse former for fysik kan én beregning nogle gange ændre hele vores forståelse. Et eksempel kunne være, da Shor’s algoritme viste, at kvantecomputere kan bryde moderne kryptering. I kemi opstår forståelse sjældent ud fra ét resultat, men gennem samspil mellem mange typer af data, hvor mønstre og sammenhænge gradvist træder frem.
Kemiske systemer involverer ofte mange frihedsgrader, og modellerne lader sig derfor sjældent koge ned til en enkelt ligning uden grove approksimationer. Disse approksimationer er uundgåelige, når vi tager et kemisk problem og gør det til et beregningsbart problem. Desuden findes der tit ikke én entydig struktur eller metode til at løse problemet med. Tværtimod kan der være flere mulige løsninger, eller løsningen kan være en kombination af disse.
Disse uundgåelige approksimationer betyder, at selv hvis en kvantecomputer i fremtiden kan løse alle problemer inden for matematik og fysik, er det ikke givet, at den også kan løse alle problemer i kemi eller biologi. Vidensdannelsen i disse felter er fundamentalt forskellig. Omvendt bør vi heller ikke vurdere kvantealgoritmer og computere på, om de kan løse én specifik opgave hurtigere end klassiske metoder. I stedet bør vi se dem som et nyt værktøj i den kemiske værktøjskasse. Et værktøj, der kan bidrage med nye resultater, men måske endnu vigtigere, inspirere til nye måder at tænke og analysere kemiske problemstillinger på.

En kvantealgoritme til åbne kvantesystemer
Mens de fleste kvantekemiske simuleringer på kvantecomputere har fokuseret på at beregne energiniveauer i lukkede systemer, har vi i vores studie vendt blikket mod noget andet: Vi har valgt at studere åbne kvantesystemer, hvor miljøet spiller en aktiv rolle i dynamikken. At simulere åbne kvantesystemer er generelt en udfordring, da problemerne ofte kræver så store matricer, at klassiske computere har svært ved at håndtere dem.
Men hvad betyder det egentlig, at et kvantesystem er åbent set fra et kemisk perspektiv? I modsætning til lukkede systemer er åbne kvantesystemer påvirket af deres miljø. Et klassisk eksempel er en elektron, der skal hoppe fra ét molekyle til et andet i et solvent. Her spiller solventet en aktiv rolle i dynamikken. Det kan give og tage energi, skabe vibrationer og introducere støj. Disse interaktioner kan være afgørende for, om og hvordan elektronen hopper videre. Hvis miljøet ovenikøbet “husker” tidligere tilstande i systemet, kalder man dynamikken for ikke-Markoviansk. Sådanne hukommelseseffekter er særligt svære at simulere, men forekommer i mange vigtige kemiske og biologiske systemer, som for eksempel elektronoverførsel i fotosyntese og enzymer og ladningstransport i organiske materialer.
Det er netop her, kvantecomputere har et særligt potentiale. En kvantecomputer er i sig selv et kvantesystem, og idéen om at bruge den til at simulere andre kvantesystemer er god. Men i oversættelsen af de klassiske algoritmer til kvantealgoritmer opstår der et nyt problem. Kvantecomputere arbejder med lukkede, unitære operationer, mens åbne kvantesystemer også har ikke-unitær dynamik. Og i kemi er det netop ofte den ikke-unitære dynamik, såsom støj, varmetab og kobling til solvent, der styrer dynamikken. Derfor er det vigtigt at udvikle kvantealgoritmer, der kan simulere ikke-unitær dynamik.
I vores nylige studie præsenterer vi en digital kvantealgoritme baseret på en repeated interaction-model. I metoden lader man systemet, man er interesseret i, interagere flere gange med en ekstra såkaldt ancilla qubit, som nulstilles og måles mellem hver interaktion. På den måde kan man indbygge ikke-unitær, irreversibel dynamik i en ellers unitær kvantesimulering, se figur 1. Metoden er fleksibel og kan simulere flere parameterregimer og systemtyper. Den kræver ikke brede kredsløb og er naturlig modstandsdygtig over for trotteriseringsfejl. Disse er alle vigtige egenskaber for en anvendelig samt implementerbar dynamikalgoritme til en kvantecomputer.

Elektronoverførsel som testcase
Som testcase anvendte vi elektronoverførsel; en reaktionstype, der er central i både kemiske og biologiske systemer, og som samtidig er veldokumenteret både eksperimentelt og teoretisk. I vores simuleringer modellerede vi både simple donor-acceptor-systemer og mere komplekse donor-bro-acceptor-systemer, hvor elektronen bevæger sig i trin via mellemliggende tilstande (figur 2). Ikke-Markoviansk dynamik blev indbygget i modellen ved at koble det elektroniske system til en harmonisk oscillator, også kaldet et reaktionskoordinat, der fungerer som en hukommelseskanal for miljøet. Det gør det muligt at simulere solventens rolle og verificere, at hukommelsen bevares over tid, se figur 3.

Fra modeller til molekyler
Det særligt interessante ved vores metode er, at den ikke er begrænset til ét sæt parametre og derved en klasse af systemer. Vi testede algoritmen på flere forskellige parametersæt: Stærk versus svag kobling, lav versus høj temperatur, og lav versus høj dæmpning, se figur 4. I alle tilfælde kunne vi reproducere Lindblad-dynamik, som er en meget udbredt model for dynamik af åbne kvantesystemer, med små fejl og på få iterationer.
Metoden viste sig at skalere godt for højtemperaturregimer, hvilket betyder, at den potentielt kan bruges på en bred vifte af systemtyper, se figur 5. Et andet stort plus ved metoden er, at vi undgår diagonalisering, som oftest er nødvendigt i andre algoritmer, hvilket gør metoden mere skalerbar.
Selvom resultaterne er lovende, ved vi endnu ikke, om simuleringerne vil være hurtigere eller mere præcise, når de bliver overført til en kvantecomputer. Derudover løser studiet ikke et ukendt problem, men udbygger en metode, der kan blive vigtig i fremtidens kvantekemi. Ligesom kvantecomputeren næppe bliver en tryllestav, er vores algoritme blot ét redskab blandt flere i kemikerens værktøjskasse. I dag kombinerer vi for eksempel DFT-beregninger med molekylær dynamiksimuleringer samt eksperimentelle data, og på sigt kan kvantesimulering blive en naturlig del af fremtidens workflow. Og det kan potentielt blive et meget vigtigt værktøj, når vi arbejder med systemer, der er åbne, dynamiske, og som bliver påvirkede af deres miljø.

Konklusion: Kvantecomputeren som kemikerens kollega
Målet med artiklen var ikke at løse et kemisk problem, men at undersøge, om kvantealgoritmer kan genskabe kendte løsninger. Repeated interaction-modellen tilbyder en realistisk, programmerbar metode til simulering af åbne systemer. På sigt kan kvantecomputere blive en kollega, der hjælper os med at se længere ind i molekylernes verden, enten gennem konkrete resultater, eller ved at inspirere til nye idéer. Ved at fokusere på, hvordan kvantealgoritmer kan supplere og forbedre nuværende metoder, kan vi bevæge os væk fra forestillingen om den heroiske beregning og i stedet fremme en mere realistisk og effektiv tilgang til kemisk forståelse.

E-mail:
Lea K. Northcote: l.northcote@chem.ku.dk
Gemma C. Solomon: gsolomon@chem.ku.dk

Referencer
1. Lea K. Northcote, Matthew S. Teynor, Gemma C. Solomon; Repeated interaction scheme for the quantum simulation of non-Markovian electron transfer dynamics. J. Chem. Phys. 14 June 2025; 162 (22): 224112. https://doi.org/10.1063/5.0268071.

Skrevet i: Aktuelt, Artikler fra Dansk Kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

BranchenytMedicinalkemiOrganisk kemiTop12. 10. 2026

Nogle molekyler, såsom aminosyrer, findes i to varianter, der er hinandens spejlbilleder. Levende organismer indeholder imidlertid kun det ene af disse spejlbilleder. Hvordan en sådan kemisk asymmetri kunne være opstået, har længe været et mysterium for kemikere. Henri B. Kagan og Kenso Soai blev i

Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

AktueltBiologi12. 10. 2026

Alt er anderledes i rummet – også hvordan tarmene fungerer. Forstoppelse er en kendt bivirkning ved rumfart, men indtil nu har man vidst utroligt lidt om, hvorfor det sker. Nu har forskere fra Københavns Universitet i et samarbejde med NASA undersøgt blod fra astronauter og har et bud på, hvorfor

Grundstoffer med kant

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

Thomas Just Sørensen: Universets byggeklodser. 283 sider. Boganmeldelsen er bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Anmeldt af Søren Kiil, professor, DTU Kemiteknik Det periodiske system er kemiens

Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Ny viden og avanceret testning skal sikre mere holdbare og bæredygtige beskyttelsessystemer til fremtidens infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ziyou Li, Joshua

Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi07. 10. 2026

Tekstureret vegetabilsk protein bruges til at fremstille plantebaserede kødanaloger. pH og ionstyrke påvirker proteiners konformation og interaktion med vandmolekyler, så vi satte os for at undersøge, hvordan pH og ionstyrke påvirker rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein. Artiklen har

Hvad skal kalken bruges til?

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Fra en brønd på en jysk mark til borekerner i kælderen under Aarhus Universitet: 55 millioner år gammel vulkansk aske kan måske hjælpe med at gøre CO₂ til sten. Samtidig forsøger dansk industri at vende kalkens gamle kulstofkredsløb på hovedet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og

Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi07. 10. 2026

Ved at udnytte at reaktionen mellem formaldehyd og d-Biotin (et vitamin, og et naturligt forekommende N,N'-dialkylurinstof) er reversibel, kan oligomeriseringsreaktionen guides ved at tilsætte en templat. I dette bidrag forklarer jeg, hvordan dette er blevet udnyttet til at syntetisere makrocykler,

“I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

I dybden med kemi af Lone Brun Jakobsen og Klædt på til skriftlig kemi af Lone Brun Jakobsen m.fl. Begge udgivelser på Nucleus Forlag ApS, 2026, 1. udgave, 1. oplag. Boganmeldelsen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder (læs

Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Hvordan kan nogle af jordskorpens mest almindelige metaller omdanne lys til kemisk energi, og hvilke udfordringer skal løses, før de kan erstatte ruthenium og iridium i fremtidens lysdrevne teknologier? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Kvantekemi gav os evnen til at forstå kemiske processer på atomart niveau. AI gør det nu muligt at anvende denne forståelse på realistiske og komplekse systemer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis

Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her
This message is only visible to admins.
Problem displaying Facebook posts. Backup cache in use.
Click to show error
Error: (#200) Provide valid app ID Type: OAuthException

Læs også magasinet Dansk Kemi

Nyeste udgave af magasinet "Dansk Kemi" kan læses online, ved at klikke på bladforsiden.
Herfra er der desuden adgang til online-arkivet med tidligere udgivelser.

Seneste Nyheder

  • Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

    12.10.2026

  • Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

    12.10.2026

  • Grundstoffer med kant

    07.10.2026

  • Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

    07.10.2026

  • Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

    07.10.2026

  • Hvad skal kalken bruges til?

    07.10.2026

  • Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

    07.10.2026

  • “I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

    07.10.2026

  • Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

    07.10.2026

  • Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

    07.10.2026

  • Fra elastik til batteri

    07.10.2026

  • Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

    06.10.2026

  • 30 års overvågning viser, at antibiotikaresistens kan presses tilbage

    05.10.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    29.09.2026

  • Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

    29.09.2026

Alle nyheder ›

/Brochurer
/White papers

  • Ergonomi og sikkerhed brochure
  • Renseanlæg-katalog
  • Biogaskatalog
  • Celledyrkningskatalog
  • Minikatalog
Se alle ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}