La tecnología de captura de carbono podría beneficiarse de la computación cuántica

Las computadoras cuánticas podrían usarse para estudiar las reacciones químicas relacionadas con la captura de carbono al hacer cálculos que están más allá de la capacidad incluso de las computadoras clásicas más poderosas, según investigadores en los EE. UU. el equipo en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL) y la Universidad de Kentucky usaron una supercomputadora para simular los cálculos cuánticos. Esto reveló que el cálculo podría hacerse mucho más rápido en las computadoras cuánticas del futuro.

Los crecientes niveles de dióxido de carbono en la atmósfera están impulsando el calentamiento global, por lo que los científicos están ansiosos por desarrollar nuevas formas de absorber el gas y almacenarlo. Una forma de hacerlo es usar reacciones químicas que consumen dióxido de carbono, creando sustancias que se pueden almacenar de manera segura. Sin embargo, las reacciones de captura de carbono existentes tienden a consumir mucha energía y son caras. Como resultado, los investigadores buscan nuevas reacciones de captura de carbono y también formas de predecir la eficiencia de las reacciones a temperaturas y presiones realistas.

El diseño de vías de reacción óptimas requiere una comprensión detallada de las propiedades cuánticas microscópicas de las moléculas involucradas. Este es un desafío porque los cálculos precisos de la naturaleza cuántica de las reacciones químicas son notoriamente difíciles de hacer en las computadoras convencionales. Los recursos computacionales requeridos aumentan exponencialmente con la cantidad de átomos involucrados, lo que dificulta la simulación incluso de reacciones simples. Afortunadamente, esta escala exponencial no ocurre si los cálculos se realizan en computadoras cuánticas.

Pequeño y ruidoso

Las computadoras cuánticas aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo y las máquinas más grandes se limitan a un unos cientos de bits cuánticos (qubits). También están plagados de ruido, lo que inhibe los cálculos cuánticos. Si estas ruidosas computadoras cuánticas de escala intermedia (NISQ) pueden hacer cálculos útiles, por lo tanto, todavía es un tema de mucho debate. Una vía prometedora es combinar computadoras cuánticas y clásicas para mitigar los efectos del ruido en los algoritmos cuánticos. Este enfoque incluye el solucionador propio cuántico variacional (VQE), que fue utilizado por los investigadores de NETL/Kentucky.

En un VQE, una computadora clásica genera una estimación de la configuración cuántica de las moléculas que reaccionan. Luego, la computadora cuántica calcula la energía de esa configuración. El algoritmo clásico ajusta iterativamente esa conjetura hasta que se encuentra la configuración de energía más baja. Por lo tanto, se calcula el estado de energía más bajo estable.

En los últimos años, el hardware de computación cuántica que ejecuta algoritmos VQE ha determinado con éxito la energía de enlace de cadenas de átomos de hidrógeno y la energía de un molécula de agua. Sin embargo, ninguno de los cálculos logró una ventaja cuántica, lo que ocurre cuando una computadora cuántica hace un cálculo que una computadora clásica no puede hacer en una cantidad de tiempo realista.

Cálculo cuántico simulado

Ahora, el equipo de NETL/Kentucky ha explorado cómo se podrían usar los algoritmos VQE para calcular cómo reacciona una molécula de dióxido de carbono con una molécula de amoníaco. Esto implicó el uso de una supercomputadora clásica para simular el cálculo cuántico, incluidos los niveles de ruido esperados en un NISQ.

Estudios anteriores han analizado cómo se podría usar el amoníaco para la captura de carbono, pero es poco probable que estos procesos se puedan usar a gran escala. Sin embargo, las aminas, moléculas complejas que se asemejan al amoníaco, muestran potencial para su uso a gran escala. Como resultado, estudiar cómo reaccionan el dióxido de carbono y el amoníaco es un primer paso importante hacia el uso de VQEs para estudiar reacciones que involucran aminas más complejas.

“Tenemos que elegir una reacción representativa para hacer el modelo”, dice Yueh Lin Lee, que es miembro del equipo de NETL. Lee señala que su reacción simplificada les permite probar cómo les va a los algoritmos y dispositivos de computación cuántica actuales con el aumento del tamaño molecular: desde el dióxido de carbono hasta el amoníaco y el NH.₂Molécula de COOH que produce la reacción.

Si bien el equipo pudo calcular la ruta química del dióxido de carbono que reacciona con el amoníaco con su algoritmo cuántico simulado, obteniendo los niveles de energía vibratoria de NH₂COOH resultó difícil. Su supercomputadora obtuvo una respuesta después de tres días de cálculos, lo que permitió al equipo concluir que una computadora cuántica con un ruido lo suficientemente bajo debería poder hacer el cálculo mucho más rápido. Además, descubrieron que si la molécula del producto fuera más grande, una supercomputadora clásica no podría resolver el problema.

Condiciones de la vida real

Los investigadores señalan que calcular los niveles precisos de energía vibratoria es crucial para comprender cómo se desarrollaría la reacción en condiciones de la vida real, a temperaturas distintas de cero.

"Si desea observar la reacción en condiciones realistas, no solo necesita la energía total sino también las propiedades vibratorias", dice el miembro del equipo Dominic Alfonso en NETL. “Una simulación clásica no puede calcular las propiedades vibratorias, mientras que mostramos que un algoritmo cuántico puede hacerlo. Entonces, incluso en esta etapa, podemos ver una ventaja cuántica”.

¿Qué pasó con la captura de carbono?

Las computadoras cuánticas existentes tienen suficientes qubits para realizar la simulación clásicamente fuera de alcance de los niveles vibratorios. Lo que queda por ver es si tales computadoras cuánticas tienen un ruido lo suficientemente bajo como para hacer los cálculos, aunque las simulaciones de ruido predicen el éxito.

Sin embargo, Kanav Setia, quien es director ejecutivo del proveedor de software de computación cuántica con sede en EE. qTrenza y un experto de VQE, ha expresado dudas de que el modelo NETL/Kentucky capture el verdadero nivel de ruido de las computadoras cuánticas existentes. Setia, que no participó en la investigación, dice: "Dado el progreso reciente en muchas otras arquitecturas, es posible que se pueda realizar este estudio en computadoras cuánticas en los próximos años".

El equipo ahora está colaborando con IBM Quantum para implementar sus ideas en una computadora cuántica existente y tiene la esperanza de poder demostrar una ventaja cuántica. Reportan sus hallazgos en Ciencia cuántica AVS.

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