Die Kohlenstoffabscheidungstechnologie könnte von Quantencomputern profitieren

Laut Forschern in den USA könnten Quantencomputer verwendet werden, um chemische Reaktionen im Zusammenhang mit der Kohlenstoffabscheidung zu untersuchen, indem Berechnungen durchgeführt werden, die selbst die leistungsstärksten klassischen Computer übersteigen. Das Team der Nationales Labor für Energietechnologie (NETL) und der University of Kentucky verwendeten einen Supercomputer, um die Quantenberechnungen zu simulieren. Dabei zeigte sich, dass die Berechnung auf Quantencomputern der Zukunft viel schneller erfolgen könnte.

Steigende Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre treiben die globale Erwärmung voran, daher sind Wissenschaftler bestrebt, neue Wege zu entwickeln, um das Gas zu absorbieren und zu speichern. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, chemische Reaktionen zu nutzen, die Kohlendioxid verbrauchen, wodurch Substanzen entstehen, die sicher gelagert werden können. Bestehende Kohlenstoffabscheidungsreaktionen neigen jedoch dazu, energieintensiv und teuer zu sein. Daher suchen die Forscher nach neuen Kohlenstoffabscheidungsreaktionen und auch nach Möglichkeiten, die Reaktionseffizienz bei realistischen Temperaturen und Drücken vorherzusagen.

Das Entwerfen optimaler Reaktionswege erfordert ein detailliertes Verständnis der mikroskopischen Quanteneigenschaften der beteiligten Moleküle. Dies ist eine Herausforderung, da genaue Berechnungen der Quantennatur chemischer Reaktionen auf herkömmlichen Computern notorisch schwierig durchzuführen sind. Die erforderlichen Rechenressourcen steigen exponentiell mit der Anzahl der beteiligten Atome, was die Simulation selbst einfacher Reaktionen sehr schwierig macht. Glücklicherweise tritt diese exponentielle Skalierung nicht auf, wenn die Berechnungen auf Quantencomputern durchgeführt werden.

Klein und laut

Quantencomputer befinden sich noch in den frühen Entwicklungsstadien und die größten Maschinen beschränken sich auf a einige hundert Quantenbits (Qubits). Sie werden auch von Rauschen geplagt, das Quantenberechnungen hemmt. Ob diese verrauschten Intermediate-Scale-Quantencomputer (NISQs) sinnvolle Berechnungen durchführen können, wird daher noch viel diskutiert. Ein vielversprechender Weg ist die Kombination von Quanten- und klassischen Computern, um die Auswirkungen von Rauschen in Quantenalgorithmen zu mildern. Dieser Ansatz beinhaltet den Variational Quantum Eigensolver (VQE), der von den NETL/Kentucky-Forschern verwendet wurde.

Bei einem VQE generiert ein klassischer Computer eine Schätzung für die Quantenkonfiguration der reagierenden Moleküle. Dann berechnet der Quantencomputer die Energie dieser Konfiguration. Der klassische Algorithmus passt diese Vermutung iterativ an, bis die niedrigste Energiekonfiguration gefunden ist. Somit wird der stabile niedrigste Energiezustand berechnet.

In den letzten Jahren hat Quantencomputing-Hardware mit VQE-Algorithmen erfolgreich die Bindungsenergie von bestimmt Ketten aus Wasserstoffatomen und die Energie von a Wassermolekül. Keine der Berechnungen erzielte jedoch einen Quantenvorteil – der auftritt, wenn ein Quantencomputer eine Berechnung durchführt, die ein klassischer Computer in einer realistischen Zeitspanne nicht ausführen kann.

Simulierte Quantenrechnung

Jetzt hat das NETL/Kentucky-Team untersucht, wie VQE-Algorithmen verwendet werden könnten, um zu berechnen, wie ein Kohlendioxidmolekül mit einem Ammoniakmolekül reagiert. Dazu wurde ein klassischer Supercomputer verwendet, um die Quantenberechnung zu simulieren, einschließlich der in einem NISQ erwarteten Rauschpegel.

Frühere Studien haben untersucht, wie Ammoniak zur Kohlenstoffabscheidung verwendet werden könnte, aber es ist unwahrscheinlich, dass diese Prozesse in großem Maßstab eingesetzt werden könnten. Amine – komplexe Moleküle, die Ammoniak ähneln – zeigen jedoch Potenzial für den großtechnischen Einsatz. Daher ist die Untersuchung der Reaktion von Kohlendioxid und Ammoniak ein wichtiger erster Schritt zur Verwendung von VQEs zur Untersuchung von Reaktionen mit komplexeren Aminen.

„Wir müssen eine repräsentative Reaktion auswählen, um die Modellierung durchzuführen“, sagt er Yueh-Lin Lee, ein Teammitglied bei NETL. Lee weist darauf hin, dass ihre vereinfachte Reaktion es ihnen ermöglicht, zu testen, wie aktuelle Quantencomputeralgorithmen und -geräte mit zunehmender Molekülgröße abschneiden: von Kohlendioxid über Ammoniak bis hin zu NH₂COOH-Molekül, das bei der Reaktion entsteht.

Während das Team mit seinem simulierten Quantenalgorithmus den chemischen Reaktionsweg von Kohlendioxid mit Ammoniak berechnen konnte, erhielt es die Schwingungsenergieniveaus von NH₂COOH erwies sich als schwierig. Ihr Supercomputer erhielt nach dreitägigen Berechnungen eine Antwort, sodass das Team zu dem Schluss kam, dass ein Quantencomputer mit ausreichend geringem Rauschen in der Lage sein sollte, die Berechnung viel schneller durchzuführen. Außerdem stellten sie fest, dass ein klassischer Supercomputer das Problem nicht lösen könnte, wenn das Produktmolekül größer wäre.

Reale Bedingungen

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Berechnung präziser Schwingungsenergieniveaus entscheidend ist, um zu verstehen, wie die Reaktion unter realen Bedingungen bei Temperaturen ungleich Null verlaufen würde.

„Wenn Sie die Reaktion unter realistischen Bedingungen betrachten möchten, benötigen Sie nicht nur die Gesamtenergie, sondern auch Schwingungseigenschaften“, sagt Teammitglied Dominic Alfonso von NETL. „Eine klassische Simulation ist nicht in der Lage, die Schwingungseigenschaften zu berechnen, während wir zeigen, dass ein Quantenalgorithmus dies kann. Selbst in diesem Stadium sehen wir also möglicherweise einen Quantenvorteil.“

Was ist mit der Kohlenstoffabscheidung passiert?

Vorhandene Quantencomputer verfügen über genügend Qubits, um die klassisch unerreichbare Simulation von Schwingungsniveaus durchzuführen. Es bleibt abzuwarten, ob solche Quantencomputer rauscharm genug sind, um die Berechnungen durchzuführen – obwohl Rauschsimulationen Erfolg vorhersagen.

Allerdings Kanav Setia, der Chief Executive Officer des in den USA ansässigen Softwareanbieters für Quantencomputer ist qGeflecht und ein VQE-Experte, hat Zweifel geäußert, dass das NETL/Kentucky-Modell den wahren Rauschpegel bestehender Quantencomputer erfasst. Setia, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt: „Angesichts der jüngsten Fortschritte in vielen anderen Architekturen könnte es in den kommenden Jahren möglich sein, diese Studie auf Quantencomputern durchzuführen.“

Das Team arbeitet nun mit IBM Quantum zusammen, um ihre Ideen auf einem bestehenden Quantencomputer umzusetzen, und hofft, dass sie einen Quantenvorteil demonstrieren können. Sie berichten von ihren Erkenntnissen in AVS Quantenwissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/