Süsiniku kogumise tehnoloogia võiks kvantarvutusest kasu saada

USA teadlaste sõnul saab kvantarvuteid kasutada süsiniku sidumisega seotud keemiliste reaktsioonide uurimiseks, tehes arvutusi, mis ei suuda isegi kõige võimsamate klassikaliste arvutite võimekust. Meeskond juures Riiklik energiatehnoloogia labor (NETL) ja Kentucky Ülikool kasutasid kvantarvutuste simuleerimiseks superarvutit. See näitas, et tuleviku kvantarvutites saab arvutusi teha palju kiiremini.

Süsinikdioksiidi taseme tõus atmosfääris põhjustab globaalset soojenemist, nii et teadlased soovivad välja töötada uusi viise gaasi absorbeerimiseks ja säilitamiseks. Üks võimalus seda teha on kasutada keemilisi reaktsioone, mis tarbivad süsinikdioksiidi, luues aineid, mida saab ohutult säilitada. Olemasolevad süsiniku sidumise reaktsioonid kipuvad aga olema energiamahukad ja kallid. Selle tulemusena otsivad teadlased uusi süsiniku sidumise reaktsioone ja ka viise, kuidas ennustada reaktsioonide efektiivsust realistlikul temperatuuril ja rõhul.

Optimaalsete reaktsiooniradade kavandamine nõuab üksikasjalikku arusaamist kaasatud molekulide mikroskoopilistest kvantomadustest. See on väljakutse, sest keemiliste reaktsioonide kvantloomuse täpseid arvutusi on tavapärastes arvutites väga raske teha. Vajalikud arvutusressursid kasvavad plahvatuslikult koos kaasatud aatomite arvuga, muutes isegi lihtsate reaktsioonide simuleerimise väga keeruliseks. Õnneks seda eksponentsiaalset skaleerimist ei toimu, kui arvutused tehakse kvantarvutites.

Väike ja lärmakas

Kvantarvutid on alles arengu algfaasis ja suurimad masinad piirduvad a paarsada kvantbitti (qubits). Neid kimbutab ka müra, mis pärsib kvantarvutusi. Selle üle, kas need mürarikkad keskmise skaala kvantarvutid (NISQ-d) suudavad teha kasulikke arvutusi, on endiselt paljude arutelude teema. Üks paljutõotav viis on kvant- ja klassikaliste arvutite ühendamine, et leevendada kvantalgoritmide müra mõju. See lähenemisviis hõlmab variatsioonilist kvantomalahendust (VQE), mida kasutasid NETL / Kentucky teadlased.

VQE-s loob klassikaline arvuti oletuse reageerivate molekulide kvantkonfiguratsiooni kohta. Seejärel arvutab kvantarvuti selle konfiguratsiooni energia. Klassikaline algoritm kohandab seda oletust iteratiivselt, kuni leitakse madalaim energiakonfiguratsioon. Seega arvutatakse välja stabiilne madalaima energiaga olek.

Viimastel aastatel on VQE algoritme kasutav kvantarvuti riistvara edukalt määranud sideenergia vesinikuaatomite ahelad ja energia a veemolekul. Kuid kumbki arvutus ei saavutanud kvanteelist – see juhtub siis, kui kvantarvuti teeb arvutuse, mida klassikaline arvuti ei suuda realistliku aja jooksul teha.

Simuleeritud kvantarvutus

Nüüd on NETL/Kentucky meeskond uurinud, kuidas saaks VQE algoritmide abil arvutada, kuidas süsinikdioksiidi molekul reageerib ammoniaagi molekuliga. See hõlmas klassikalise superarvuti kasutamist kvantarvutuse simuleerimiseks, sealhulgas NISQ-s eeldatavaid müratasemeid.

Varasemates uuringutes on uuritud, kuidas saaks ammoniaaki kasutada süsiniku kogumiseks, kuid on ebatõenäoline, et neid protsesse saaks laiaulatuslikult kasutada. Kuid amiinid – komplekssed molekulid, mis meenutavad ammoniaaki – näitavad potentsiaali suuremahuliseks kasutamiseks. Selle tulemusena on süsinikdioksiidi ja ammoniaagi reageerimise uurimine oluline esimene samm VQE-de kasutamisel keerukamate amiinidega seotud reaktsioonide uurimiseks.

"Peame modelleerimiseks valima tüüpilise reaktsiooni, " ütleb Yueh-Lin Lee, kes on NETL-i meeskonnaliige. Lee juhib tähelepanu sellele, et nende lihtsustatud reaktsioon võimaldab neil testida, kuidas praegused kvantarvutusalgoritmid ja -seadmed kasvavad molekulisuurusega: süsinikdioksiidist ammoniaagini NH-ni.₂COOH molekul, mille reaktsioon tekitab.

Kuigi meeskond suutis simuleeritud kvantalgoritmi abil arvutada ammoniaagiga reageeriva süsinikdioksiidi keemilise tee, saades NH vibratsioonienergia tasemed₂COOH osutus keeruliseks. Nende superarvuti sai vastuse pärast kolmepäevaseid arvutusi, mis võimaldas meeskonnal järeldada, et piisavalt madala müratasemega kvantarvuti peaks suutma arvutusi teha palju kiiremini. Lisaks leidsid nad, et kui toote molekul oleks suurem, ei suudaks klassikaline superarvuti probleemi lahendada.

Reaalse elu tingimused

Teadlased juhivad tähelepanu sellele, et täpsete vibratsioonienergia tasemete arvutamine on ülioluline, et mõista, kuidas reaktsioon reaalsetes tingimustes nullist erineva temperatuuriga toimiks.

"Kui soovite vaadata reaktsiooni realistlikes tingimustes, ei vaja te mitte ainult koguenergiat, vaid ka vibratsiooniomadusi," ütleb meeskonnaliige Dominic Alfonso NETL-ist. "Klassikaline simulatsioon ei suuda vibratsiooniomadusi arvutada, samas kui me näitame, et kvantalgoritm suudab seda teha. Nii et isegi selles etapis võime näha kvanteelist.

Mis juhtus süsinikdioksiidi kogumisega?

Olemasolevatel kvantarvutitel on piisavalt kubitte, et teostada vibratsioonitasemete klassikaliselt kättesaamatut simulatsiooni. Jääb veel näha, kas sellistel kvantarvutitel on arvutuste tegemiseks piisavalt madal müratase – kuigi mürasimulid ennustavad edu.

Kuid Kanav Setia, kes on USA-s asuva kvantarvutite tarkvara pakkuja tegevjuht qBraid ja VQE ekspert on väljendanud kahtlust, et NETL/Kentucky mudel fikseerib olemasolevate kvantarvutite tegeliku mürataseme. Setia, kes ei ole uuringus osalenud, ütleb: "Arvestades hiljutisi edusamme paljudes teistes arhitektuurides, võib selle uuringu läbiviimine kvantarvutites olla võimalik lähiaastatel."

Meeskond teeb nüüd koostööd ettevõttega IBM quantum, et rakendada oma ideid olemasolevas kvantarvutis, ja loodavad, et nad võivad näidata kvanteelist. Nad teatavad oma leidudest aastal AVS kvantteadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/