Britische Forscher: Quantum kann Katalysatoren in chemischen Prozessen simulieren und Umweltauswirkungen reduzieren

Forscher des Quantentechnikunternehmens Riverlane und des Unternehmens für nachhaltige Technologien Johnson Matthey gaben bekannt, dass sie Quantenalgorithmen entwickelt haben, um die in industriellen chemischen Prozessen verwendeten Katalysatoren zu simulieren. Die Unternehmen sagen, dass ihre Arbeit die Umweltauswirkungen von Brennstoffzellen bis hin zu Petrochemikalien und Wasserstoffproduktion verringern kann.

Die Recherche war veröffentlicht in Physical Review Research letzte Woche und demonstriert, wie ein fehlerkorrigierter Quantencomputer Nickeloxid und Palladiumoxid simulieren kann. Dies sind wichtige Materialien in der heterogenen Katalyse, einem Prozess, der zur Herstellung einer breiten Palette von Chemikalien und Kraftstoffen verwendet wird, so die Unternehmen.

„Unser Algorithmus ermöglicht die Quantensimulation großer Festkörpersysteme mit Laufzeiten, die oft mit viel kleineren molekularen Systemen assoziiert werden. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige praktische Simulationen von Materialien auf fehlerkorrigierten Quantencomputern“, sagte Dr. Aleksei Ivanov, Quantenwissenschaftler bei Flussstraße und der Hauptautor des Papiers.

Viele Materialien sind aufgrund ihrer komplexen Quantennatur auf gewöhnlichen Computern schwer zu simulieren. Hier können Quantencomputer helfen, aber bisher konzentrierte sich der Großteil der Forschung auf die Simulation von Molekülen, nicht von Materialien. Das liegt daran, dass Materialien eine zusätzliche Struktur haben, wie zum Beispiel Translationssymmetrie oder Periodizität.

„Häufig verwendete klassische Berechnungsmethoden beruhen oft auf Annäherungen, die für bestimmte Materialien, einschließlich stark korrelierter Metalloxide, möglicherweise nicht gut gerechtfertigt sind, was zu einer unbefriedigenden Leistung führt“, so Dr. Tom Ellaby, ein F&E-Wissenschaftler bei Johnson Matthey.

Dr. Rachel Kerber, leitende Wissenschaftlerin bei Johnson Matthey, sagte: „Quantensimulationen könnten uns eine Möglichkeit bieten, viele dieser Materialien zu modellieren, die für Forscher in der Katalyse und den Materialwissenschaften im Allgemeinen oft von großem Interesse sind.“

Die Forscher nutzten Konzepte, die in der klassischen Computational Condensed Matter-Forschung entwickelt wurden, um den neuen Quantenalgorithmus zu entwickeln.

„In dieser Arbeit haben wir uns eine Frage gestellt: Wie können wir einen bestehenden molekularen Algorithmus modifizieren, um die Struktur des Materials zu nutzen? Wir haben herausgefunden, wie das geht, und infolgedessen reduzieren unsere Modifikationen des bestehenden Quantenalgorithmus die Anforderungen an die Quantenressourcen. Zukünftige Quantencomputer benötigen also viel weniger Qubits und eine geringere Schaltungstiefe im Vergleich zu früheren Quantenalgorithmen ohne jegliche Modifikation“, sagte Dr. Christoph Sunderhauf, leitender Quantenwissenschaftler bei Riverlane und Co-Autor des Papiers. „Der Hauptvorbehalt hier ist, dass wir warten müssen, bis jemand tatsächlich einen ausreichend großen fehlerkorrigierten Quantencomputer baut.“

Heutige Quantencomputer haben höchstens einige hundert Quantenbits (Qubits), was die Nützlichkeit dieser Maschinen einschränkt. Aber Quantencomputer müssen um Größenordnungen skalieren, um eine Fehlerkorrektur zu erreichen und Anwendungen in mehreren Branchen freizuschalten.

Um die Fehlerkorrektur früher zu erreichen, baut Riverlane ein Betriebssystem für fehlerkorrigierte Quantencomputer, das ein Steuersystem (um die Millionen von erforderlichen Qubits zu steuern und zu kalibrieren) und schnelle Decoder (um die Ausbreitung von Fehlern zu stoppen und Berechnungen nutzlos zu machen) umfasst. Wenn diese fehlerkorrigierten Quantencomputer fertig sind, brauchen wir auch fehlertolerante Quantenalgorithmen, um auf diesen Maschinen lauffähig zu sein.

„Wir müssen uns bemühen, nützliche Anwendungsfälle von Quantencomputern freizuschalten“, sagte Ivanov. „Wenn wir die Quantenalgorithmen weiter verbessern, müssten wir für sinnvolle Anwendungen keinen so riesigen Quantencomputer bauen.“

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• Quelle: https://insidehpc.com/2023/03/uk-researchers-quantum-can-simulate-catalysts-in-chemical-processes-cut-environmental-impacts/