Ein Forschungsteam an der Universität Kassel hat einen bedeutenden Fortschritt in der Quantencomputersimulation großer biologischer Systeme erzielt. Am 9. Juni 2026 wurde bekannt, dass die Wissenschaftler ein System mit 45 Millionen Atomen simuliert haben, das einen Bakteriophagen untersucht. Diese Berechnung gilt als die größte Hartree-Fock-Rechnung, die jemals durchgeführt wurde. Laut Prof. Dr. Martin E. Garcia, einem der führenden Köpfe hinter diesem Projekt, ist die Anwendung der Hartree-Fock-Methode neu, um die Elektronenstruktur von Molekülen effizient zu beschreiben. uni-kassel.de berichtet.

Die Forschungsgruppe Theoretische Physik II hat einen innovativen Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, die Hartree-Fock-Methode auf große biologische Systeme anzuwenden. Neue Algorithmen und gezielte Vereinfachungen wurden eingeführt, um den Rechenaufwand deutlich zu reduzieren. Die Ergebnisse der Simulation stimmen weiterhin mit experimentellen Daten überein, was die Zuverlässigkeit der neuen Methode unterstreicht.

Erweiterte Möglichkeiten der Quantenmechanik

Traditionell waren quantenmechanische Simulationen großer biologischer Moleküle nur für kleine Systeme praktikabel. Doch die neue Methode eröffnet die Möglichkeit, vollständige Quantenmechanik auf Moleküle mit mehreren zehn Millionen Atomen anzuwenden. Dies stellt einen massiven Schritt in der Quantensimulation dar und könnte weitreichende Implikationen für Biologie, Medizin und Wirkstoffdesign haben. Bisher behandelten klassische Simulationsmethoden Elektronen nur indirekt, was bedeutete, dass wichtige Effekte übersehen wurden. Mit der neuen Herangehensweise aus Kassel wird dies nun grundlegend verändert. clearskyscience.com erläutert.

Der modifizierte Hartree-Fock-Ansatz basiert auf der Aufteilung großer Biomoleküle in überlappende Cluster. Dies ermöglicht separate Quantenberechnungen und die Rekonstruktion der Elektronendichte. Die aktuellen Berechnungen umfassen nicht nur den Bakteriophagen, sondern auch DNA-Fragmente und das Krebsmedikament Actinomycin D. Die Übereinstimmungen mit experimentellen Messungen in diesen Bereichen sind eng und unterstützen die Gültigkeit dieser neuen Methodik.

Forschung über Proteinstrukturen

Zusätzlich untersucht das Kasseler Team, wie Quantenberechnungen für die Bewertung von Proteinstrukturen verwendet werden können, die durch KI-Tools wie AlphaFold vorhergesagt wurden. Interessanterweise zeigen die quantenbasierten Energieprofile eine gute Übereinstimmung mit den Vertrauenswerten von AlphaFold. Die erzielten Geschwindigkeitsgewinne in den Berechnungen kommen jedoch nicht ohne Kompromisse; die Genauigkeit wird in gewissen Bereichen zugunsten von Schnelligkeit reduziert. Dennoch bietet der neue Ansatz qualitativ und quantitativ verlässliche Einblicke in große Systeme.

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Die weiteren Ziele dieser Forschung umfassen die Entwicklung schneller quantenbasierter molekularer Dynamik sowie Studien zu elektrischen und magnetischen Feldern. Langfristig verfolgt das Team die Vision, „Quantenbiologie“ zu erreichen, die vollständige elektronische Detailtreue in der wissenschaftlichen Praxis erfordert. Diese Arbeiten können helfen, das Verständnis über die grundlegenden biologischen Prozesse zu erweitern, die für den Menschen von zentraler Bedeutung sind.