فناوری جذب کربن می تواند از محاسبات کوانتومی سود ببرد

به گفته محققان در ایالات متحده، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند برای مطالعه واکنش‌های شیمیایی مرتبط با جذب کربن با انجام محاسباتی که حتی از توانایی قوی‌ترین رایانه‌های کلاسیک خارج است، استفاده شوند. تیم در آزمایشگاه ملی فناوری انرژی (NETL) و دانشگاه کنتاکی از یک ابر رایانه برای شبیه سازی محاسبات کوانتومی استفاده کردند. این نشان داد که این محاسبات می‌تواند در رایانه‌های کوانتومی آینده بسیار سریع‌تر انجام شود.

افزایش سطح دی اکسید کربن در جو باعث گرم شدن کره زمین می شود، بنابراین دانشمندان مشتاقند راه های جدیدی برای جذب گاز و ذخیره آن ایجاد کنند. یکی از راه‌های انجام این کار استفاده از واکنش‌های شیمیایی است که دی اکسید کربن را مصرف می‌کنند و موادی را ایجاد می‌کنند که می‌توانند به طور ایمن ذخیره شوند. با این حال، واکنش‌های جذب کربن موجود، انرژی فشرده و پرهزینه هستند. در نتیجه، محققان به دنبال واکنش‌های جذب کربن جدید و همچنین راه‌هایی برای پیش‌بینی بازده واکنش در دماها و فشارهای واقعی هستند.

طراحی مسیرهای واکنش بهینه نیازمند درک دقیق خواص کوانتومی میکروسکوپی مولکول‌های درگیر است. این یک چالش است زیرا انجام محاسبات دقیق ماهیت کوانتومی واکنش های شیمیایی در رایانه های معمولی بسیار دشوار است. منابع محاسباتی مورد نیاز به صورت تصاعدی با تعداد اتم‌های درگیر افزایش می‌یابد و شبیه‌سازی واکنش‌های ساده را بسیار دشوار می‌کند. خوشبختانه، اگر محاسبات روی کامپیوترهای کوانتومی انجام شود، این مقیاس نمایی رخ نمی دهد.

کوچک و پر سر و صدا

کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و بزرگترین ماشین ها به a محدود می شوند چند صد بیت کوانتومی (کیوبیت). آنها همچنین با نویز مواجه هستند که محاسبات کوانتومی را مهار می کند. این که آیا این رایانه‌های کوانتومی در مقیاس متوسط ​​پر سر و صدا (NISQ) می‌توانند محاسبات مفیدی انجام دهند، هنوز موضوع بحث زیادی است. یکی از راه‌های امیدوارکننده، ترکیب کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک برای کاهش اثرات نویز در الگوریتم‌های کوانتومی است. این رویکرد شامل حل ویژه کوانتومی متغیر (VQE) است که توسط محققان NETL/Kentucky استفاده شده است.

در یک VQE، یک کامپیوتر کلاسیک حدسی برای پیکربندی کوانتومی مولکول‌های واکنش‌دهنده ایجاد می‌کند. سپس، کامپیوتر کوانتومی انرژی آن پیکربندی را محاسبه می کند. الگوریتم کلاسیک به طور مکرر آن حدس را تنظیم می کند تا زمانی که کمترین پیکربندی انرژی پیدا شود. بنابراین، حالت پایدار کمترین انرژی محاسبه می شود.

در سال‌های اخیر، سخت‌افزار محاسبات کوانتومی که الگوریتم‌های VQE را اجرا می‌کنند، با موفقیت انرژی اتصال را تعیین کرده‌اند. زنجیره ای از اتم های هیدروژن و انرژی الف مولکول آب. با این حال، هیچ یک از محاسبات به مزیت کوانتومی دست پیدا نکردند – که زمانی اتفاق می افتد که یک کامپیوتر کوانتومی محاسباتی را انجام دهد که یک کامپیوتر کلاسیک نمی تواند در زمان واقعی انجام دهد.

محاسبات کوانتومی شبیه سازی شده

اکنون، تیم NETL/Kentucky بررسی کرده‌اند که چگونه الگوریتم‌های VQE می‌توانند برای محاسبه نحوه واکنش یک مولکول دی اکسید کربن با یک مولکول آمونیاک استفاده شوند. این شامل استفاده از یک ابر رایانه کلاسیک برای شبیه سازی محاسبات کوانتومی، از جمله سطوح نویز مورد انتظار در NISQ بود.

مطالعات گذشته چگونگی استفاده از آمونیاک برای جذب کربن را بررسی کرده‌اند، اما بعید است که این فرآیندها در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، آمین ها - مولکول های پیچیده ای که شبیه آمونیاک هستند - پتانسیل استفاده در مقیاس بزرگ را نشان می دهند. در نتیجه، مطالعه نحوه واکنش دی اکسید کربن و آمونیاک اولین گام مهم به سمت استفاده از VQEs برای مطالعه واکنش‌های مربوط به آمین‌های پیچیده‌تر است.

می‌گوید: «ما باید یک واکنش نماینده را برای انجام مدل‌سازی انتخاب کنیم یوه-لین لی، که یکی از اعضای تیم NETL است. لی اشاره می کند که واکنش ساده شده آنها به آنها اجازه می دهد تا نحوه عملکرد الگوریتم ها و دستگاه های محاسباتی کوانتومی فعلی را با افزایش اندازه مولکولی آزمایش کنند: از دی اکسید کربن گرفته تا آمونیاک تا NH.₂مولکول COOH که در واکنش تولید می شود.

در حالی که تیم توانست مسیر شیمیایی واکنش دی اکسید کربن با آمونیاک را با الگوریتم کوانتومی شبیه سازی شده خود محاسبه کند و سطوح انرژی ارتعاشی NH را بدست آورد.₂COOH دشوار بود. ابررایانه آنها پس از سه روز محاسبات پاسخی به دست آورد و به تیم اجازه داد تا به این نتیجه برسند که یک کامپیوتر کوانتومی با نویز به اندازه کافی کم باید بتواند محاسبات را بسیار سریعتر انجام دهد. علاوه بر این، آنها دریافتند که اگر مولکول محصول بزرگتر باشد، یک ابر رایانه کلاسیک قادر به حل مشکل نخواهد بود.

شرایط زندگی واقعی

محققان خاطرنشان می کنند که محاسبه سطوح انرژی ارتعاشی دقیق برای درک چگونگی انجام واکنش در شرایط واقعی، در دماهای غیر صفر، بسیار مهم است.

یکی از اعضای تیم Dominic Alfonso در NETL می‌گوید: «اگر می‌خواهید به واکنش در شرایط واقعی نگاه کنید، نه تنها به انرژی کل بلکه به ویژگی‌های ارتعاشی نیز نیاز دارید. یک شبیه‌سازی کلاسیک قادر به محاسبه خواص ارتعاشی نیست، در حالی که ما نشان می‌دهیم که یک الگوریتم کوانتومی می‌تواند این کار را انجام دهد. بنابراین حتی در این مرحله، ممکن است یک مزیت کوانتومی ببینیم.»

چه اتفاقی برای جذب کربن افتاد؟

کامپیوترهای کوانتومی موجود دارای کیوبیت های کافی برای انجام شبیه سازی کلاسیک دور از دسترس سطوح ارتعاشی هستند. چیزی که باید دید این است که آیا چنین کامپیوترهای کوانتومی نویز کافی برای انجام محاسبات دارند یا خیر – اگرچه شبیه سازی نویز موفقیت را پیش بینی می کند.

با این حال کاناو ستیا، که مدیر اجرایی ارائه‌دهنده نرم‌افزار محاسبات کوانتومی مستقر در ایالات متحده است. qbraid و یک متخصص VQE، ابراز تردید کرده است که مدل NETL/Kentucky سطح نویز واقعی رایانه‌های کوانتومی موجود را نشان می‌دهد. ستیا، که در این تحقیق شرکت نکرده است، می‌گوید: «با توجه به پیشرفت‌های اخیر در بسیاری از معماری‌های دیگر، انجام این مطالعه بر روی رایانه‌های کوانتومی ممکن است در سال‌های آینده امکان‌پذیر باشد».

این تیم اکنون با کوانتوم آی‌بی‌ام برای پیاده‌سازی ایده‌های خود بر روی یک کامپیوتر کوانتومی موجود همکاری می‌کنند و امیدوارند که بتوانند یک مزیت کوانتومی را نشان دهند. آنها یافته های خود را در AVS علوم کوانتومی.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/