Garnet Chan liegt vor allem die Grundlagenforschung am Herzen. Schon vor Jahrzehnten wandte er sich der Chemie zu, um einige der einflussreichsten biochemischen Prozesse auf der Erde zu verstehen.

Inzwischen ist er jedoch zur zentralen Figur in einem ganz anderen Umfeld geworden: in der Debatte darüber, ob Quantencomputer einen entscheidenden Vorteil gegenüber gewöhnlichen Computern haben. Denn viele Fachleute auf dem Gebiet der Quanteninformatik sehen genau jene chemischen Reaktionen, an denen Chan forscht, als geeignete Aufgaben für Quantencomputer an. Der bezweifelt allerdings, dass leistungsstarke Quantenrechner – die es erst in einigen Jahren geben wird – dazu notwendig sind.

»Ich will in erster Linie chemische Probleme lösen. Wenn klassische Computer das richtige Werkzeug dafür sind, sollten wir sie nutzen«, sagt er. Zwar könnten Quantencomputer durchaus eine wichtige Rolle spielen, aber er sieht keinen Grund, auf deren Entwicklung zu warten. Und nun kann er ein Ergebnis vorweisen, das seine These untermauert.

Anfang Januar 2026 machten Chan und fünf weitere Quantenchemiker vom California Institute of Technology Fortschritte beim Verständnis des Enzyms Nitrogenase. Dieses wandelt Stickstoff aus der Atmosphäre in Ammoniak um – und ermöglicht damit das Leben auf unserem Planeten. Die neue Forschungsarbeit ist eine bedeutende Errungenschaft für die theoretischen Chemiker, das Ergebnis jahrzehntelanger Bemühungen.

Die Nitrogenase gilt schon lange als Paradebeispiel für einen Anwendungsfall für Quantencomputer. Denn um das Enzym zu verstehen, muss man das Verhalten vieler Elektronen verfolgen, die quantenmechanisch miteinander verbunden sind. Die Anzahl ihrer möglichen Teilchenzustände ist dadurch enorm. Forschende vermuten, dass sich das System nur mit Quantencomputern entschlüsseln lässt.

»Dies ist keine Aufgabe, für die man erst einen Quantencomputer bauen muss, um etwas zu verstehen«Garnet Chan, Chemiker

Doch Chan und sein Team haben in ihrer Arbeit rein klassische Methoden genutzt. Ihr Ergebnis sagt deshalb nicht nur etwas über die Chemie des Lebens aus, sondern auch darüber, ob Quantencomputer wirklich notwendig sind, um sie zu verstehen. »Es ist wichtig zu betonen, dass dies keine unmögliche Aufgabe ist, für die man erst einen Quantencomputer bauen muss, um etwas zu verstehen«, erklärt der Chemiker.

Doch dem stimmen nicht alle zu. Einige Forschende verweisen auf die vielen Jahre, die es dauerte, das Ergebnis auf klassische Weise zu berechnen. Selbst wenn sich ein chemisches Problem letztendlich mit klassischen Methoden lösen ließe, könnten Quantencomputer dennoch nötig sein, um solche Entdeckungen in großem Maßstab zu machen. »Wenn man ein beliebiges Optimierungsproblem nimmt und 20 Jahre lang intensiv daran forscht, dann kann man dieses eine System vielleicht verstehen«, sagt der Quantenphysiker James Whitfield vom Dartmouth College. »Aber ist diese Lösung auch auf andere Probleme übertragbar?«

Die Ammoniakfabrik der Natur

Neben der Fotosynthese zählt die Stickstofffixierung zu den wichtigsten chemischen Prozessen für das Leben auf der Erde – ermöglicht wird sie durch die Nitrogenase.

Bevor sich die Nitrogenase entwickelte, waren Lebewesen durch die Menge an Stickstoff begrenzt, die in organische Materie eingebaut werden konnte. Es war fast schon ironisch: Unser Planet steckt voller Stickstoff (heute macht das Element fast 80 Prozent der Atmosphäre aus), aber dieser konnte nicht genutzt werden. Denn atmosphärischer Stickstoff liegt als zweiatomiges N₂-Molekül vor, das für biologische Prozesse unbrauchbar ist. Bloß seltene hochenergetische Ereignisse spalteten das Molekül in Nitrate auf, die lebende Wesen nutzen können. »Die Organismen mussten quasi darauf warten, bis ein Blitz einschlug. Nur so wurde Stickstoff für die Biomasse verfügbar«, sagt der Chemiker Daniel Suess vom Massachusetts Institute of Technology, der sich mit dem Enzym befasst.

Vor drei Milliarden Jahren änderte sich das: In frühen Prokaryoten entwickelte sich die Nitrogenase. Das Enzym schafft, was kein anderer biologischer Prozess vermag: Es bricht die Dreifachbindung, die N₂ zusammenhält, und wandelt das reaktionsträge Gas in biologisch nutzbares Ammoniak um.

Dieses Enzym ist außerordentlich kompliziert. Für die frühen Mikroben, die von ihm profitierten, spielte das zwar keine Rolle. Doch für Menschen, die diesen Mechanismus Milliarden Jahre später nachahmen wollen, um Dünger herzustellen, ist die Frage nach seiner Funktionsweise entscheidend.

Mitverantwortlich für die Komplexität der Nitrogenase ist ihr aktives Zentrum, ein Cluster aus Eisen- und Molybdänatomen, der als FeMo-co bezeichnet wird. Jedes Eisenatom trägt vier oder fünf ungepaarte Elektronen, deren Verhalten von den anderen Teilchen abhängt. Tatsächlich ist FeMo-co eines der am stärksten korrelierten Systeme in der Biologie. Das heißt, man kann die Teilchen nicht unabhängig voneinander betrachten, was es extrem schwierig macht, Eigenschaften des Gesamtsystems wie die elektronische Struktur oder die Energie zu bestimmen.

Anfangs waren Fachleute nicht unbedingt an der Funktionsweise der Nitrogenase interessiert, sondern wollten eine Quelle für das Enzym finden. Im 19. Jahrhundert erwies sich Guano – die mit Kalkstein vermischten Exkremente von Seevögeln – als nützlich, der von Inseln vor der Küste Perus stammte. Die Ressource war so wertvoll und selten, dass Nationen Kriege darum führten. Im Jahr 1909 fanden die Chemiker Fritz Haber und Carl Bosch schließlich heraus, wie man die Stickstofffixierung industriell zustande bringt, und entwickelten das nach ihnen benannte Verfahren. 

Dabei blieb aber offen, wie die Nitrogenase das vollbringt, wofür der Haber-Bosch-Prozess einen Industrieofen benötigt. In der Chemie spielte diese Frage eine wichtige Rolle – und erlangte neue Bedeutung, als man darüber debattierte, wie man sie am besten lösen könnte.

Ein ungewöhnlicher Test

Klassische Computer verarbeiten Informationen als Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben. Quantencomputer hingegen verwenden Qubits, die darüber hinaus in einer Überlagerung aus 0 und 1 existieren; zudem können diese dabei auf eine Weise miteinander verschränkt sein, die kein klassisches Pendant hat. Ein groß angelegter Quantencomputer wäre somit in der Lage, zeitgleich viele mögliche Lösungen für ein Problem durchzuspielen, anstatt sie nacheinander abzuarbeiten. Quantencomputer versprechen bestimmte Arten von Problemen mit der richtigen mathematischen Struktur zu lösen, die für herkömmliche Computer unerreichbar sind.

Seit den 1990er-Jahren fragen sich Fachleute, welche Probleme die Maschinen der Zukunft knacken könnten. Dabei scheint die Simulation chemischer Wechselwirkungen vielversprechend: Das Wechselspiel von Elektronen, welches das Verhalten von Molekülen bestimmt, ist im Kern quantenmechanischer Natur. Deswegen sollten Quantencomputer dieses besonders gut modellieren können.

Informell gilt Nitrogenase seit 2011 als ein Anwendungsfall für die Quanteninformatik. In jenem Jahr organisierte Microsoft eine Konferenz, um nach passenden Problemstellungen für seine im Entstehen begriffene Quanten-Gruppe zu suchen. Garnet Chan hielt damals einen Vortrag über das mysteriöse Enzym. Inwieweit das die späteren Ereignisse beeinflusste, weiß er nicht. 2017 veröffentlichten Microsoft-Forschende einen Fachartikel, in dem sie darlegten, dass die Komplexität der Nitrogenase das Enzym zu einer überzeugenden Aufgabe für Quantencomputer macht.

Doch Chan widersprach dieser Behauptung. Er war überzeugt, dass sich Nitrogenase auch mit klassischen Methoden modellieren lässt. Im Lauf des folgenden Jahrzehnts versuchte er, das zu beweisen.

Die niedrigste Energie berechnen

Chan und seine Kollegen hatten nie vor, die gesamte Funktionsweise des Enzyms zu entschlüsseln. Vielmehr wandten sie sich einem weitverbreiteten Modell von FeMo-co zu und wollten die dazugehörige Grundzustandsenergie berechnen.

Der Grundzustand ist jene Elektronenkonfiguration des Enzyms mit der niedrigsten Energie – der Ausgangspunkt für alle Reaktionen. FeMo-co besteht aus sieben Eisenatomen, von denen jedes vier oder fünf ungepaarte Elektronen besitzt. Deren Spins (eine quantenmechanische Eigenschaft, die man sich wie einen kleinen Stabmagneten vorstellen kann) zeigen entweder nach oben oder nach unten, zudem können sich die Orbitale verschieben. Das genaue Verhalten eines Teilchens hängt aber stets davon ab, was die anderen Elektronen tun.

Das macht es außerordentlich schwer, die Grundzustandsenergie von FeMo-co zu bestimmen. Es gibt mehr als 78 000 plausible Möglichkeiten, wie sich die Elektronen anordnen könnten. Der Grundzustand setzt sich als gewichtete Kombination all dieser Konfigurationen zusammen. Theoretisch bestimmt die Schrödingergleichung, wie die verschiedenen Konfigurationen zum Grundzustand beitragen und was die dazugehörige Gesamtenergie ist. Praktisch ist es jedoch unmöglich, die Gleichung für so viele wechselwirkende Elektronen zu lösen.

Weder Quanten- noch klassische Computer können diese Aufgabe bewältigen. In beiden Fällen muss man mit einer vereinfachten Annäherung an den Grundzustand beginnen – einer fundierten Vermutung, welche Konfigurationen am stärksten zu diesem Zustand beitragen. Oft ist allein dafür schon jahrelange Forschung nötig. Wenn man dann einen klassischen Computer verwendet, berücksichtigt man nach und nach andere Konfigurationen und zeigt, dass die riesige Anzahl an verbleibenden Konfigurationen vernachlässigbar ist, da sie kaum zur Energie des Grundzustands beitragen.

»Ich habe das Gefühl, mich der Flut des Ozeans zu widersetzen«Garnet Chan, Chemiker

Hätte man hingegen einen leistungsfähigen Quantencomputer zur Verfügung, müsste man keine Konfiguration ignorieren. Der Quantencomputer würde die anfängliche Annäherung direkt als Quantenzustand darstellen und diesen Zustand dann zeitlich weiterentwickeln, bis er die richtige Grundzustandsstruktur erreicht. Daraus ließe sich dann die Energie präzise berechnen. 

Nach Ansicht vieler Forschender bieten Quantencomputer dabei einen Vorteil. Denn das klassische Verfahren, bei dem man unbedeutende Konfigurationen ausschließen muss, kann extrem schwierig werden. Aber Garnet Chan und seine wenigen Unterstützer argumentieren, auch Quantencomputer benötigten eine anfängliche Vermutung. Außerdem seien klassische Techniken in der Regel rasch ausgereift, weshalb man nicht auf Quantentechnologien angewiesen sei. Diese Auffassung entsprach aber nicht dem Mainstream. Chan beschreibt das Gefühl, als würde er »sich der Flut des Ozeans widersetzen«.

Die Lösung herausfiltern

Seit seiner Promotion an der University of Cambridge im Jahr 2000 entwickelt der Chemiker Methoden, um komplizierte Quantenzustände zu vereinfachen. Hierfür fokussiert er sich stets auf die wichtigsten Konfigurationen. Die verschiedenen Ansätze, die er dafür im Lauf der Jahre ausgearbeitet hatte, wollte er mit seinem Team auf FeMo-co anwenden.

Dazu grenzten die Fachleute die möglichen Elektronenkonfigurationen mit zwei verschiedenen Techniken ein. Bei der ersten Methode begannen sie mit einer anfänglichen Schätzung des Grundzustands und passten schrittweise das Verhalten weniger Elektronen an. Anschließend zeigten sie, dass die Anpassung größere Teilchenmengen die Gesamtenergie nicht signifikant verändert. Damit hatten sie ein klares Kriterium dafür erarbeitet, welche Elektronenkonfigurationen sie ignorieren konnten und welche nicht.

Bei der zweiten Methode spalteten die Forschenden den Ausgangszustand in mehrere Teile auf und betrachteten nur eine begrenzte Menge an Informationen, die zwischen diesen Teilen fließen darf. Dann zeigten sie, dass sie Änderungen im Informationsfluss bloß bis zu einer bestimmten Grenze berücksichtigen müssen. »Diese Erkenntnis, dass man das System mit einfacheren Methoden beschreiben kann, und diese Techniken voranzutreiben (da das Problem rechnerisch immer noch anspruchsvoll ist), war der Schlüssel«, erläutert Chan.

Beide Methoden lieferten dieselbe Schätzung für die Grundzustandsenergie von FeMo-co – und stimmten mit den experimentellen Beobachtungen der Fachleute überein. Damit waren die Forschenden überzeugt, den richtigen Grundzustand gefunden zu haben.

Die Debatte verlagert sich

Chan hofft, diese Methoden weiter verallgemeinern zu können, um alle Zustände der Nitrogenase und die dazugehörigen Reaktionen zu modellieren. »Hoffentlich schließen sich all jene dieser Mission an, die bisher sagen: ›Wir müssen einen Quantencomputer bauen, um das Nitrogenase-Problem zu lösen‹«, sagt er.

Doch vom Grundzustand zu einer vollständigen mathematischen Beschreibung einer Reaktion zu gelangen, ist ungleich schwerer. Dafür muss man unter anderem die Energien für eine ganze Abfolge chemischer Zwischenzustände berechnen. »Wir sind noch nicht einmal annähernd am Ziel«, gibt Daniel Suess zu. »Wir haben bisher lediglich den Grundzustand beschrieben. Aber die Ergebnisse legen nahe, dass wir mit einiger Zuversicht voranschreiten können.«

Noch ist unklar, was die neue Arbeit für die Anwendungen von Quantencomputern bedeutet. Laut James Whitfield war die Berechnung einer einzelnen Grundzustandsenergie nie ein Problem, bei dem Quantencomputer ihre klassischen Pendants übertreffen sollten. Der Vorteil der Quantentechnologie liege eher in der gesamten Modellierung eines Prozesses – etwa um herauszufinden, wie sich das System im Lauf der Zeit entwickelt. Solche Aufgaben dürften zeigen, wie ineffizient klassische Methoden gegenüber Quantencomputern seien.

Nach Jahren des freundschaftlichen Schlagabtauschs mit der Quantencomputer-Community erwartet Chan nicht, dass das neue Ergebnis die Überzeugungen der Fachleute ändern wird. Schließlich, so sagt er, sei die Simulation von Quantenchemie mit Quantencomputern nach wie vor vielversprechend.

Wenn ein leistungsfähiger Quantencomputer verfügbar wäre, würde Chan ihn definitiv gerne nutzen. Er hofft jedoch, dass das neue Ergebnis seines Teams dazu beiträgt, ein Missverständnis zu beseitigen: jene Überzeugung, die schwierigsten chemischen Probleme seien unlösbar, bis Quanten-Hardware verfügbar sei. »Die Wissenschaft korrigiert sich selbst«, erklärt er, »aber oft erhalten Korrekturen nicht die gleiche Aufmerksamkeit wie die ursprüngliche Behauptung, weil sich das Fachgebiet bereits anderen Themen zugewandt hat.«