Britiske forskere: Quantum kan simulere katalysatorer i kemiske processer, reducere miljøpåvirkninger

Forskere fra Riverlane kvanteingeniørvirksomhed og bæredygtig teknologivirksomhed Johnson Matthey annoncerede, at de har udviklet kvantealgoritmer til at simulere de katalysatorer, der bruges i industrielle kemiske processer. Virksomhederne siger, at deres arbejde kan reducere miljøpåvirkningen af ​​alt fra brændselsceller til petrokemikalier og brintproduktion.

Forskningen var offentliggjort i Physical Review Research sidste uge og demonstrerer, hvordan en fejlrettet kvantecomputer kan simulere nikkeloxid og palladiumoxid. Disse er vigtige materialer i heterogen katalyse, en proces, der bruges til at skabe en bred vifte af kemikalier og brændstoffer, ifølge virksomhederne.

"Vores algoritme muliggør kvantesimulering af store solid state-systemer med kørselstider ofte forbundet med meget mindre molekylære systemer. Dette arbejde baner vejen mod fremtidige praktiske simuleringer af materialer på fejlkorrigerede kvantecomputere,” sagde Dr. Aleksei Ivanov, en kvanteforsker ved Riverlane og avisens hovedforfatter.

Mange materialer er svære at simulere på almindelige computere på grund af deres komplekse, kvantenatur. Det er her kvantecomputere kan hjælpe, men indtil nu har det meste af forskningen fokuseret på simulering af molekyler, ikke materialer. Dette skyldes, at materialer har yderligere struktur, såsom translationssymmetri eller periodicitet.

"Almindelig anvendte klassiske beregningsmetoder er ofte afhængige af tilnærmelser, der måske ikke er velbegrundede for visse materialer, herunder stærkt korrelerede metaloxider, hvilket fører til utilfredsstillende ydeevne," ifølge Dr. Tom Ellaby, en R&D-forsker ved Johnson Matthey.

Dr. Rachel Kerber, seniorforsker ved Johnson Matthey, sagde: "Kvantesimuleringer kunne give os et middel til at modellere mange af disse materialer, som ofte er af stor interesse for forskere inden for katalyse og materialevidenskab generelt."

Forskerne udnyttede koncepter udviklet i klassisk beregningsmæssig kondenseret stofforskning til at udvikle den nye kvantealgoritme.

"I dette arbejde stillede vi os selv et spørgsmål: Hvordan kan vi modificere en eksisterende molekylær algoritme for at udnytte materialets struktur? Vi fandt ud af, hvordan man gør dette, og som et resultat reducerede vores modifikationer af den eksisterende kvantealgoritme kravene til kvanteressourcer. Så fremtidige kvantecomputere kræver langt færre qubits og en reduceret kredsløbsdybde, sammenlignet med tidligere kvantealgoritmer uden nogen ændring,” sagde Dr. Christoph Sunderhauf, senior kvanteforsker ved Riverlane og avisens medforfatter. "Den vigtigste advarsel her er, at vi bliver nødt til at vente, indtil nogen faktisk bygger en tilstrækkelig stor fejlkorrigeret kvantecomputer."

Dagens kvantecomputere har højst et par hundrede kvantebits (qubits), hvilket begrænser anvendeligheden af ​​disse maskiner. Men kvantecomputere skal skaleres op i størrelsesordener for at nå fejlkorrektion og låse op for applikationer på tværs af flere industrier.

For at nå fejlkorrektion hurtigere, bygger Riverlane et operativsystem til fejlkorrigerede kvantecomputere, som inkluderer et kontrolsystem (til at kontrollere og kalibrere de millioner af krævede qubits) og hurtige dekodere (for at stoppe fejl, der spreder sig og gør beregninger ubrugelige). Når disse fejlkorrigerede kvantecomputere er klar, har vi også brug for fejltolerante kvantealgoritmer for at være klar til at køre på disse maskiner.

"Vi er nødt til at stræbe efter at låse op for nyttige anvendelsessager af kvantecomputere," sagde Ivanov. "Hvis vi fortsætter med at forbedre kvantealgoritmerne yderligere, så behøver vi ikke bygge sådan en enorm kvantecomputer til nyttige applikationer."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://insidehpc.com/2023/03/uk-researchers-quantum-can-simulate-catalysts-in-chemical-processes-cut-environmental-impacts/