Carbon capture-teknologi kan drage fordel af kvanteberegning

Carbon capture-teknologi kan drage fordel af kvanteberegning

Tidsstempel: 5. april 2023 kl. 11

Kvantekemi illustration
Kvantekemi: kunstnerisk opfattelse af et molekyle, der simuleres af en kvantecomputer. (Med høflighed: iStock/thelightwriter)

Kvantecomputere kunne bruges til at studere kemiske reaktioner relateret til kulstoffangst ved at lave beregninger, der er uden for selv de mest kraftfulde klassiske computere - ifølge forskere i USA. Holdet på Nationalt Energiteknisk Laboratorium (NETL) og University of Kentucky brugte en supercomputer til at simulere kvanteberegningerne. Dette afslørede, at beregningen kunne gøres meget hurtigere på fremtidens kvantecomputere.

Stigende niveauer af kuldioxid i atmosfæren driver den globale opvarmning, så forskerne er ivrige efter at udvikle nye måder at absorbere gassen og lagre den på. En måde at gøre dette på er at bruge kemiske reaktioner, der forbruger kuldioxid, hvilket skaber stoffer, der kan opbevares sikkert. Eksisterende kulstofopsamlingsreaktioner har dog en tendens til at være energikrævende og dyre. Som et resultat er forskere på udkig efter nye kulstoffangereaktioner og også efter måder at forudsige reaktionseffektivitet ved realistiske temperaturer og tryk.

Design af optimale reaktionsveje kræver en detaljeret forståelse af de mikroskopiske kvanteegenskaber af de involverede molekyler. Dette er en udfordring, fordi præcise beregninger af kvantenaturen af ​​kemiske reaktioner er notorisk vanskelige at lave på konventionelle computere. De nødvendige beregningsressourcer stiger eksponentielt med antallet af involverede atomer, hvilket gør simulering af selv simple reaktioner meget vanskelig. Heldigvis forekommer denne eksponentielle skalering ikke, hvis beregningerne foretages på kvantecomputere.

Lille og støjende

Kvantecomputere er stadig i de tidlige udviklingsstadier, og de største maskiner er begrænset til en få hundrede kvantebits (qubits). De er også plaget af støj, som hæmmer kvanteberegninger. Hvorvidt disse støjende mellemskala kvantecomputere (NISQ'er) kan lave nyttige beregninger er derfor stadig genstand for megen debat. En lovende vej er at kombinere kvante- og klassiske computere for at afbøde virkningerne af støj i kvantealgoritmer. Denne tilgang inkluderer den variationelle kvanteegenopløser (VQE), som blev brugt af NETL/Kentucky-forskerne.

I en VQE genererer en klassisk computer et gæt for kvantekonfigurationen af ​​de reagerende molekyler. Derefter beregner kvantecomputeren energien af ​​denne konfiguration. Den klassiske algoritme justerer iterativt dette gæt, indtil den laveste energikonfiguration er fundet. Således beregnes den stabile laveste energitilstand.

I de senere år har kvantecomputerhardware, der kører VQE-algoritmer, med succes bestemt bindingsenergien af kæder af brintatomer og energien af ​​en vandmolekyle. Ingen af ​​beregningerne opnåede dog kvantefordele - hvilket opstår, når en kvantecomputer laver en beregning, som en klassisk computer ikke kan udføre på realistisk tid.

Simuleret kvanteberegning

Nu har NETL/Kentucky-teamet undersøgt, hvordan VQE-algoritmer kunne bruges til at beregne, hvordan et kuldioxidmolekyle reagerer med et ammoniakmolekyle. Dette involverede brug af en klassisk supercomputer til at simulere kvanteberegningen, inklusive de forventede støjniveauer i en NISQ.

Tidligere undersøgelser har set på, hvordan ammoniak kan bruges til kulstoffangst, men det er usandsynligt, at disse processer kan bruges i stor skala. Imidlertid viser aminer - komplekse molekyler, der ligner ammoniak - potentiale for anvendelse i stor skala. Som følge heraf er undersøgelse af, hvordan kuldioxid og ammoniak reagerer, et vigtigt første skridt mod at bruge VQE'er til at studere reaktioner, der involverer mere komplekse aminer.

"Vi er nødt til at vælge en repræsentativ reaktion for at udføre modelleringen," siger Yueh-Lin Lee, som er teammedlem hos NETL. Lee påpeger, at deres forenklede reaktion giver dem mulighed for at teste, hvordan nuværende kvanteberegningsalgoritmer og -enheder klarer sig med stigende molekylstørrelse: fra kuldioxid til ammoniak til NH2COOH-molekyle, som reaktionen frembringer.

Mens holdet var i stand til at beregne den kemiske vej for kuldioxid, der reagerer med ammoniak med deres simulerede kvantealgoritme, og opnåede vibrationsenerginiveauerne for NH2COOH viste sig at være vanskelig. Deres supercomputer fik et svar efter tre dages beregninger, hvilket gjorde det muligt for holdet at konkludere, at en kvantecomputer med tilstrækkeligt lav støj burde være i stand til at foretage beregningen meget hurtigere. Desuden fandt de ud af, at hvis produktmolekylet var noget større, ville en klassisk supercomputer-computer ikke være i stand til at løse problemet.

Virkelige forhold

Forskerne påpeger, at beregning af præcise vibrationsenerginiveauer er afgørende for at forstå, hvordan reaktionen ville klare sig under virkelige forhold, ved temperaturer uden for nul.

"Hvis du vil se på reaktionen under realistiske forhold, har du ikke kun brug for den samlede energi, men også vibrationsegenskaber," siger teammedlem Dominic Alfonso hos NETL. ”En klassisk simulering er ikke i stand til at beregne vibrationsegenskaberne, hvorimod vi viser, at en kvantealgoritme kan gøre det. Så selv på dette stadium kan vi se en kvantefordel."

Eksisterende kvantecomputere har nok qubits til at udføre den klassiske simulering uden for rækkevidde af vibrationsniveauer. Det, der mangler at blive set, er, om sådanne kvantecomputere har lav nok støj til at udføre beregningerne - selvom støjsimuleringer forudsiger succes.

Men Kanav Setia, som er administrerende direktør for den amerikansk-baserede udbyder af kvantecomputersoftware qFlet og en VQE-ekspert, har udtrykt tvivl om, at NETL/Kentucky-modellen fanger det sande støjniveau af eksisterende kvantecomputere. Setia, som ikke har været involveret i forskningen, siger "I betragtning af de seneste fremskridt i mange andre arkitekturer, kan det være muligt at udføre denne undersøgelse på kvantecomputere i de kommende år."

Holdet samarbejder nu med IBM quantum for at implementere deres ideer på en eksisterende kvantecomputer, og håber på, at de kan demonstrere en kvantefordel. De rapporterer deres resultater i AVS kvantevidenskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden