Η τεχνολογία δέσμευσης άνθρακα θα μπορούσε να ωφεληθεί από τον κβαντικό υπολογισμό

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη χημικών αντιδράσεων που σχετίζονται με τη δέσμευση άνθρακα, κάνοντας υπολογισμούς που ξεπερνούν τις δυνατότητες ακόμη και των πιο ισχυρών κλασικών υπολογιστών – σύμφωνα με ερευνητές στις ΗΠΑ. Η ομάδα στο Εθνικό Εργαστήριο Ενεργειακής Τεχνολογίας (NETL) και το Πανεπιστήμιο του Κεντάκι χρησιμοποίησαν έναν υπερυπολογιστή για να προσομοιώσουν τους κβαντικούς υπολογισμούς. Αυτό αποκάλυψε ότι ο υπολογισμός θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο γρήγορα σε κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.

Τα αυξανόμενα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα προκαλούν την υπερθέρμανση του πλανήτη, έτσι οι επιστήμονες επιθυμούν να αναπτύξουν νέους τρόπους απορρόφησης και αποθήκευσης του αερίου. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να χρησιμοποιηθούν χημικές αντιδράσεις που καταναλώνουν διοξείδιο του άνθρακα, δημιουργώντας ουσίες που μπορούν να αποθηκευτούν με ασφάλεια. Ωστόσο, οι υπάρχουσες αντιδράσεις δέσμευσης άνθρακα τείνουν να είναι ενεργοβόρες και δαπανηρές. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές αναζητούν νέες αντιδράσεις δέσμευσης άνθρακα και επίσης τρόπους πρόβλεψης της αποτελεσματικότητας της αντίδρασης σε ρεαλιστικές θερμοκρασίες και πιέσεις.

Ο σχεδιασμός βέλτιστων μονοπατιών αντίδρασης απαιτεί λεπτομερή κατανόηση των μικροσκοπικών κβαντικών ιδιοτήτων των εμπλεκόμενων μορίων. Αυτό είναι μια πρόκληση γιατί οι ακριβείς υπολογισμοί της κβαντικής φύσης των χημικών αντιδράσεων είναι εμφανώς δύσκολο να γίνουν σε συμβατικούς υπολογιστές. Οι απαιτούμενοι υπολογιστικοί πόροι αυξάνονται εκθετικά με τον αριθμό των εμπλεκόμενων ατόμων, καθιστώντας την προσομοίωση ακόμη και απλών αντιδράσεων πολύ δύσκολη. Ευτυχώς, αυτή η εκθετική κλιμάκωση δεν συμβαίνει εάν οι υπολογισμοί γίνονται σε κβαντικούς υπολογιστές.

Μικρό και θορυβώδες

Οι κβαντικοί υπολογιστές βρίσκονται ακόμη στα αρχικά στάδια ανάπτυξης και οι μεγαλύτερες μηχανές περιορίζονται σε α μερικές εκατοντάδες κβαντικά bit (qubits). Μαστίζονται επίσης από θόρυβο, ο οποίος αναστέλλει τους κβαντικούς υπολογισμούς. Το κατά πόσον αυτοί οι θορυβώδεις κβαντικοί υπολογιστές μέσης κλίμακας (NISQ) μπορούν να κάνουν χρήσιμους υπολογισμούς εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο πολλής συζήτησης. Μια πολλά υποσχόμενη λεωφόρος είναι ο συνδυασμός κβαντικών και κλασικών υπολογιστών για τον μετριασμό των επιπτώσεων του θορύβου στους κβαντικούς αλγόριθμους. Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει το variational quantum eigensolver (VQE), το οποίο χρησιμοποιήθηκε από τους ερευνητές του NETL/Kentucky.

Σε ένα VQE, ένας κλασικός υπολογιστής δημιουργεί μια εικασία για την κβαντική διαμόρφωση των μορίων που αντιδρούν. Στη συνέχεια, ο κβαντικός υπολογιστής υπολογίζει την ενέργεια αυτής της διαμόρφωσης. Ο κλασικός αλγόριθμος προσαρμόζει επαναληπτικά αυτή την εικασία μέχρι να βρεθεί η διαμόρφωση χαμηλότερης ενέργειας. Έτσι, υπολογίζεται η σταθερή χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση.

Τα τελευταία χρόνια, το υλικό κβαντικών υπολογιστών που εκτελεί αλγόριθμους VQE έχει προσδιορίσει με επιτυχία την ενέργεια δέσμευσης του αλυσίδες ατόμων υδρογόνου και η ενέργεια του α μόριο νερού. Ωστόσο, κανένας από τους υπολογισμούς δεν πέτυχε κβαντικό πλεονέκτημα – το οποίο συμβαίνει όταν ένας κβαντικός υπολογιστής κάνει έναν υπολογισμό που ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορεί να κάνει σε ρεαλιστικό χρονικό διάστημα.

Προσομοιωμένος κβαντικός υπολογισμός

Τώρα, η ομάδα NETL/Kentucky διερεύνησε πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν οι αλγόριθμοι VQE για τον υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα αντιδρά με ένα μόριο αμμωνίας. Αυτό περιλάμβανε τη χρήση ενός κλασικού υπερυπολογιστή για την προσομοίωση του κβαντικού υπολογισμού, συμπεριλαμβανομένων των αναμενόμενων επιπέδων θορύβου σε ένα NISQ.

Προηγούμενες μελέτες εξέτασαν πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η αμμωνία για τη δέσμευση άνθρακα, αλλά είναι απίθανο αυτές οι διαδικασίες να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα. Ωστόσο, οι αμίνες - πολύπλοκα μόρια που μοιάζουν με αμμωνία - παρουσιάζουν δυνατότητες για χρήση σε μεγάλη κλίμακα. Ως αποτέλεσμα, η μελέτη του τρόπου με τον οποίο αντιδρούν το διοξείδιο του άνθρακα και η αμμωνία είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα προς τη χρήση των VQEs για τη μελέτη αντιδράσεων που περιλαμβάνουν πιο πολύπλοκες αμίνες.

«Πρέπει να επιλέξουμε μια αντιπροσωπευτική αντίδραση για να κάνουμε τη μοντελοποίηση», λέει Yueh-Lin Lee, ο οποίος είναι μέλος της ομάδας στο NETL. Ο Lee επισημαίνει ότι η απλουστευμένη αντίδρασή τους τους επιτρέπει να δοκιμάσουν πώς λειτουργούν οι τρέχοντες αλγόριθμοι και συσκευές κβαντικής υπολογιστικής με το αυξανόμενο μοριακό μέγεθος: από το διοξείδιο του άνθρακα έως την αμμωνία έως το NH₂Μόριο COOH που παράγει η αντίδραση.

Ενώ η ομάδα ήταν σε θέση να υπολογίσει τη χημική οδό του διοξειδίου του άνθρακα που αντιδρά με την αμμωνία με τον προσομοιωμένο κβαντικό αλγόριθμό της, λαμβάνοντας τα επίπεδα δόνησης ενέργειας του NH₂Το COOH αποδείχθηκε δύσκολο. Ο υπερυπολογιστής τους έλαβε μια απάντηση μετά από τρεις ημέρες υπολογισμών, επιτρέποντας στην ομάδα να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι ένας κβαντικός υπολογιστής με αρκετά χαμηλό θόρυβο θα πρέπει να μπορεί να κάνει τον υπολογισμό πολύ πιο γρήγορα. Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι αν το μόριο του προϊόντος ήταν μεγαλύτερο, ένας κλασικός υπερυπολογιστής δεν θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα.

Πραγματικές συνθήκες ζωής

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι ο υπολογισμός των ακριβών επιπέδων δόνησης ενέργειας είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του πώς θα εξελισσόταν η αντίδραση σε πραγματικές συνθήκες, σε μη μηδενικές θερμοκρασίες.

«Αν θέλετε να δείτε την αντίδραση σε ρεαλιστικές συνθήκες, όχι μόνο χρειάζεστε τη συνολική ενέργεια, αλλά και τις ιδιότητες δόνησης», λέει το μέλος της ομάδας Dominic Alfonso στο NETL. «Μια κλασική προσομοίωση δεν είναι σε θέση να υπολογίσει τις ιδιότητες δόνησης, ενώ δείχνουμε ότι ένας κβαντικός αλγόριθμος μπορεί να το κάνει αυτό. Έτσι, ακόμη και σε αυτό το στάδιο, μπορεί να δούμε ένα κβαντικό πλεονέκτημα».

Τι έγινε με τη δέσμευση άνθρακα;

Οι υπάρχοντες κβαντικοί υπολογιστές έχουν αρκετά qubits για να εκτελούν την κλασικά απρόσιτη προσομοίωση των επιπέδων δόνησης. Αυτό που μένει να φανεί είναι αν τέτοιοι κβαντικοί υπολογιστές έχουν αρκετά χαμηλό θόρυβο για να κάνουν τους υπολογισμούς – αν και οι προσομοιώσεις θορύβου προβλέπουν επιτυχία.

Ωστόσο, ο Kanav Setia, ο οποίος είναι διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας παροχής λογισμικού κβαντικών υπολογιστών με έδρα τις ΗΠΑ q Φοβάμαι και ένας ειδικός του VQE, εξέφρασε αμφιβολίες ότι το μοντέλο NETL/Kentucky καταγράφει το πραγματικό επίπεδο θορύβου των υπαρχόντων κβαντικών υπολογιστών. Ο Σέτια, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, λέει «Δεδομένης της πρόσφατης προόδου σε πολλές άλλες αρχιτεκτονικές, η διεξαγωγή αυτής της μελέτης σε κβαντικούς υπολογιστές μπορεί να είναι δυνατή τα επόμενα χρόνια».

Η ομάδα συνεργάζεται τώρα με την IBM quantum για να εφαρμόσει τις ιδέες της σε έναν υπάρχοντα κβαντικό υπολογιστή και ελπίζει ότι μπορεί να επιδείξει ένα κβαντικό πλεονέκτημα. Αναφέρουν τα ευρήματά τους σε AVS Quantum Science.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/