يمكن أن تستفيد تقنية احتجاز الكربون من الحوسبة الكمومية

يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لدراسة التفاعلات الكيميائية المتعلقة باحتجاز الكربون عن طريق إجراء حسابات تتجاوز قدرة حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية - وفقًا للباحثين في الولايات المتحدة. الفريق في المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة استخدمت (NETL) وجامعة كنتاكي حاسوبًا عملاقًا لمحاكاة الحسابات الكمومية. كشف هذا أن الحساب يمكن أن يتم بشكل أسرع على أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل.

تؤدي زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري ، لذا يحرص العلماء على تطوير طرق جديدة لامتصاص الغاز وتخزينه. تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في استخدام التفاعلات الكيميائية التي تستهلك ثاني أكسيد الكربون ، مما ينتج عنه مواد يمكن تخزينها بأمان. ومع ذلك ، تميل التفاعلات الحالية لاحتجاز الكربون إلى أن تكون مكثفة للطاقة ومكلفة. نتيجة لذلك ، يبحث الباحثون عن تفاعلات جديدة لاحتجاز الكربون وكذلك عن طرق للتنبؤ بكفاءة التفاعل في درجات حرارة وضغوط واقعية.

يتطلب تصميم مسارات التفاعل المثلى فهماً مفصلاً للخصائص الكمومية الدقيقة للجزيئات المعنية. هذا يمثل تحديًا لأن الحسابات الدقيقة للطبيعة الكمومية للتفاعلات الكيميائية يصعب القيام بها على أجهزة الكمبيوتر التقليدية. تزداد الموارد الحسابية المطلوبة أضعافًا مضاعفة مع عدد الذرات المعنية ، مما يجعل محاكاة التفاعلات البسيطة أمرًا صعبًا للغاية. لحسن الحظ ، لا يحدث هذا القياس الأسي إذا تم إجراء الحسابات على أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

صغيرة وصاخبة

لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المراحل الأولى من التطوير وتقتصر أكبر الأجهزة على a بضع مئات من البتات الكمومية (كيوبت). كما أنها تعاني من الضوضاء التي تمنع الحسابات الكمومية. ما إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الحجم المتوسط ​​(NISQ) الصاخبة يمكن أن تقوم بحسابات مفيدة ، فلا يزال موضوع الكثير من الجدل. أحد السبل الواعدة هو الجمع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية للتخفيف من آثار الضوضاء في الخوارزميات الكمومية. يتضمن هذا النهج متغير eigensolver الكمي (VQE) ، والذي استخدمه باحثو NETL / Kentucky.

في VQE ، يولد الكمبيوتر الكلاسيكي تخمينًا للتكوين الكمي للجزيئات المتفاعلة. بعد ذلك ، يحسب الكمبيوتر الكمي طاقة هذا التكوين. تقوم الخوارزمية الكلاسيكية بضبط هذا التخمين بشكل تكراري حتى يتم العثور على أقل تكوين للطاقة. وبالتالي ، يتم حساب أدنى حالة طاقة مستقرة.

في السنوات الأخيرة ، نجحت أجهزة الحوسبة الكمومية التي تعمل بخوارزميات VQE في تحديد طاقة الربط لـ سلاسل ذرات الهيدروجين وطاقة أ جزيء الماء. ومع ذلك ، لم تحقق أي من الحسابات ميزة كمية - والتي تحدث عندما يقوم الكمبيوتر الكمومي بحساب لا يستطيع الكمبيوتر الكلاسيكي القيام به في فترة زمنية واقعية.

محاكاة حساب الكم

الآن ، استكشف فريق NETL / Kentucky كيف يمكن استخدام خوارزميات VQE لحساب كيفية تفاعل جزيء ثاني أكسيد الكربون مع جزيء الأمونيا. تضمن ذلك استخدام كمبيوتر عملاق كلاسيكي لمحاكاة الحساب الكمي ، بما في ذلك مستويات الضوضاء المتوقعة في NISQ.

نظرت الدراسات السابقة في كيفية استخدام الأمونيا لاحتجاز الكربون ، ولكن من غير المحتمل أن يتم استخدام هذه العمليات على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن الأمينات - جزيئات معقدة تشبه الأمونيا - تُظهر إمكانية الاستخدام على نطاق واسع. نتيجة لذلك ، تعد دراسة كيفية تفاعل ثاني أكسيد الكربون والأمونيا خطوة أولى مهمة نحو استخدام VQEs لدراسة التفاعلات التي تتضمن الأمينات الأكثر تعقيدًا.

يقول "علينا اختيار رد فعل تمثيلي لعمل النمذجة" يويه لين لي، وهو عضو فريق في NETL. يشير لي إلى أن تفاعلهم المبسط يسمح لهم باختبار كيفية أداء خوارزميات وأجهزة الحوسبة الكمية الحالية مع زيادة الحجم الجزيئي: من ثاني أكسيد الكربون إلى الأمونيا إلى NH₂جزيء COOH الذي ينتجه التفاعل.

بينما كان الفريق قادرًا على حساب المسار الكيميائي لثاني أكسيد الكربون الذي يتفاعل مع الأمونيا باستخدام خوارزمية الكم المحاكاة ، وحصل على مستويات الطاقة الاهتزازية لـ NH₂أثبت COOH أنه صعب. حصل الكمبيوتر العملاق الخاص بهم على إجابة بعد ثلاثة أيام من الحسابات ، مما سمح للفريق باستنتاج أن الكمبيوتر الكمي ذي الضوضاء المنخفضة بدرجة كافية يجب أن يكون قادرًا على إجراء العمليات الحسابية بشكل أسرع. علاوة على ذلك ، وجدوا أنه إذا كان جزيء المنتج أكبر ، فلن يتمكن الكمبيوتر العملاق الكلاسيكي من حل المشكلة.

ظروف الحياة الحقيقية

يشير الباحثون إلى أن حساب مستويات الطاقة الاهتزازية الدقيقة أمر بالغ الأهمية لفهم كيف سيكون رد الفعل في ظروف الحياة الواقعية ، في درجات حرارة غير صفرية.

يقول عضو الفريق دومينيك ألفونسو في NETL: "إذا كنت تريد أن تنظر إلى التفاعل في ظروف واقعية ، فأنت لا تحتاج فقط إلى الطاقة الكلية ولكن أيضًا إلى خصائص الاهتزازات". "المحاكاة الكلاسيكية غير قادرة على حساب الخصائص الاهتزازية ، بينما نظهر أن الخوارزمية الكمومية يمكنها فعل ذلك. لذلك حتى في هذه المرحلة ، قد نرى ميزة كمية ".

مهما حدث لاحتجاز الكربون؟

تحتوي أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية على كيوبتات كافية لإجراء محاكاة كلاسيكية بعيدة المنال لمستويات الاهتزازات. ما يتبقى هو ما إذا كانت هذه الحواسيب الكمومية بها ضوضاء منخفضة بما يكفي لإجراء الحسابات - على الرغم من أن محاكاة الضوضاء تتنبأ بالنجاح.

لكن كاناف سيتيا ، الرئيس التنفيذي لمزود برمجيات الحوسبة الكمية ومقرها الولايات المتحدة q خائف وخبير VQE ، أعربوا عن شكهم في أن نموذج NETL / Kentucky يلتقط مستوى الضوضاء الحقيقي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية. تقول سيتيا ، التي لم تشارك في البحث ، "نظرًا للتقدم الأخير في العديد من البنى الأخرى ، فإن إجراء هذه الدراسة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد يكون ممكنًا في السنوات القادمة."

يتعاون الفريق الآن مع IBM Quantum لتنفيذ أفكارهم على جهاز كمبيوتر كمي موجود ، ويأملون أن يظهروا ميزة كمية. أبلغوا عن النتائج التي توصلوا إليها في AVS الكم العلوم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/