Hiilidioksidin talteenottotekniikka voisi hyötyä kvanttilaskennasta

Kvanttitietokoneilla voitaisiin tutkia hiilen talteenottoon liittyviä kemiallisia reaktioita tekemällä laskelmia, jotka ylittävät tehokkaimpienkin klassisten tietokoneiden kyvyn – yhdysvaltalaisten tutkijoiden mukaan. Joukkue osoitteessa Kansallinen energiateknologian laboratorio (NETL) ja Kentuckyn yliopisto käyttivät supertietokonetta kvanttilaskelmien simulointiin. Tämä paljasti, että laskenta voitaisiin tehdä paljon nopeammin tulevaisuuden kvanttitietokoneissa.

Hiilidioksidin lisääntyminen ilmakehässä ajaa ilmaston lämpenemistä, joten tutkijat haluavat kehittää uusia tapoja imeä kaasua ja varastoida se. Yksi tapa tehdä tämä on käyttää kemiallisia reaktioita, jotka kuluttavat hiilidioksidia, jolloin syntyy aineita, jotka voidaan varastoida turvallisesti. Nykyiset hiilidioksidin talteenottoreaktiot ovat kuitenkin yleensä energiaintensiivisiä ja kalliita. Tämän seurauksena tutkijat etsivät uusia hiilensieppausreaktioita ja myös tapoja ennustaa reaktioiden tehokkuutta realistisissa lämpötiloissa ja paineissa.

Optimaalisten reaktioreittien suunnittelu vaatii yksityiskohtaista ymmärrystä mukana olevien molekyylien mikroskooppisista kvanttiominaisuuksista. Tämä on haaste, koska tarkkoja laskelmia kemiallisten reaktioiden kvanttiluonteesta on tunnetusti vaikea tehdä tavanomaisilla tietokoneilla. Tarvittavat laskentaresurssit kasvavat eksponentiaalisesti mukana olevien atomien määrän myötä, mikä tekee jopa yksinkertaisten reaktioiden simuloimisesta erittäin vaikeaa. Onneksi tätä eksponentiaalista skaalausta ei tapahdu, jos laskelmat tehdään kvanttitietokoneilla.

Pieni ja meluisa

Kvanttitietokoneet ovat vielä kehitysvaiheessa ja suurimmat koneet rajoittuvat a muutama sata kvanttibittiä (qubits). Niitä vaivaa myös melu, joka estää kvanttilaskelmia. Siitä, pystyvätkö nämä meluisat keskikokoiset kvanttitietokoneet (NISQ:t) tekemään hyödyllisiä laskelmia, käydään edelleen paljon keskustelua. Yksi lupaava keino on kvantti- ja klassisten tietokoneiden yhdistäminen melun vaikutusten lieventämiseksi kvanttialgoritmeissa. Tämä lähestymistapa sisältää variational quantum eigensolver (VQE), jota käyttivät NETL/Kentuckyn tutkijat.

VQE:ssä klassinen tietokone luo arvauksen reagoivien molekyylien kvanttikonfiguraatiosta. Sitten kvanttitietokone laskee kyseisen konfiguraation energian. Klassinen algoritmi säätää iteratiivisesti tätä arvausta, kunnes alhaisin energiakonfiguraatio löytyy. Siten lasketaan stabiili pienimmän energian tila.

Viime vuosina VQE-algoritmeja käyttävät kvanttilaskentalaitteistot ovat onnistuneesti määrittäneet sidosenergian vetyatomien ketjut ja a:n energia vesimolekyyli. Kumpikaan laskelma ei kuitenkaan saavuttanut kvanttietua – mikä tapahtuu, kun kvanttitietokone tekee laskutoimituksen, jota klassinen tietokone ei pysty tekemään realistisessa ajassa.

Simuloitu kvanttilaskenta

Nyt NETL/Kentucky-tiimi on tutkinut, kuinka VQE-algoritmeja voitaisiin käyttää laskemaan kuinka hiilidioksidimolekyyli reagoi ammoniakkimolekyylin kanssa. Tämä sisälsi klassisen supertietokoneen käyttämisen kvanttilaskelman simuloimiseen, mukaan lukien NISQ:ssa odotettavissa olevat melutasot.

Aiemmissa tutkimuksissa on tarkasteltu, kuinka ammoniakkia voitaisiin käyttää hiilidioksidin talteenottoon, mutta on epätodennäköistä, että näitä prosesseja voitaisiin käyttää laajassa mittakaavassa. Amiineilla – monimutkaisilla molekyyleillä, jotka muistuttavat ammoniakkia – on kuitenkin potentiaalia laajamittaiseen käyttöön. Tämän seurauksena hiilidioksidin ja ammoniakin reagoinnin tutkiminen on tärkeä ensimmäinen askel kohti VQE:n käyttöä monimutkaisempien amiinien sisältämien reaktioiden tutkimisessa.

"Meidän on valittava edustava reaktio tehdäksemme mallinnuksen", sanoo Yueh-Lin Lee, joka on NETL:n tiimin jäsen. Lee huomauttaa, että heidän yksinkertaistetun reaktionsa avulla he voivat testata, kuinka nykyiset kvanttilaskenta-algoritmit ja -laitteet pärjäävät molekyylikoon kasvaessa: hiilidioksidista ammoniakkiin NH:hen₂COOH-molekyyli, jonka reaktio tuottaa.

Vaikka tiimi pystyi laskemaan ammoniakin kanssa reagoivan hiilidioksidin kemiallisen reitin simuloidulla kvanttialgoritmillaan, jolloin saatiin NH:n värähtelyenergiatasot.₂COOH osoittautui vaikeaksi. Heidän supertietokoneensa sai vastauksen kolmen päivän laskelmien jälkeen, mikä antoi ryhmälle mahdollisuuden päätellä, että riittävän hiljaisen kvanttitietokoneen pitäisi pystyä suorittamaan laskelma paljon nopeammin. Lisäksi he havaitsivat, että jos tuotemolekyyli olisi suurempi, klassinen supertietokone ei pystyisi ratkaisemaan ongelmaa.

Tosielämän olosuhteet

Tutkijat huomauttavat, että tarkkojen värähtelyenergiatasojen laskeminen on ratkaisevan tärkeää sen ymmärtämiseksi, kuinka reaktio sujuisi todellisissa olosuhteissa, nollasta poikkeavissa lämpötiloissa.

"Jos haluat tarkastella reaktiota realistisissa olosuhteissa, tarvitset kokonaisenergian lisäksi myös värähtelyominaisuuksia", sanoo tiimin jäsen Dominic Alfonso NETL:stä. "Klassinen simulaatio ei pysty laskemaan värähtelyominaisuuksia, kun taas me osoitamme, että kvanttialgoritmi pystyy siihen. Joten jopa tässä vaiheessa saatamme nähdä kvanttiedun."

Mitä tapahtui hiilidioksidin talteenotolle?

Olemassa olevissa kvanttitietokoneissa on tarpeeksi kubitteja suorittaakseen värähtelytasojen klassisen ulottumattomissa olevan simuloinnin. Nähtäväksi jää, onko tällaisissa kvanttitietokoneissa tarpeeksi alhainen kohina laskelmien tekemiseen - vaikka melusimulaatiot ennustavat menestystä.

Kuitenkin Kanav Setia, joka on yhdysvaltalaisen kvanttilaskentaohjelmistotoimittajan toimitusjohtaja qPelkää ja VQE-asiantuntija on ilmaissut epäilynsä siitä, että NETL/Kentucky-malli kaappaa olemassa olevien kvanttitietokoneiden todellisen melutason. Setia, joka ei ole osallistunut tutkimukseen, sanoo: "Kun otetaan huomioon viimeaikainen edistyminen monissa muissa arkkitehtuureissa, tämän tutkimuksen suorittaminen kvanttitietokoneilla saattaa olla mahdollista tulevina vuosina."

Tiimi tekee nyt yhteistyötä IBM quantum -yrityksen kanssa toteuttaakseen ideoitaan olemassa olevassa kvanttitietokoneessa, ja toivovat, että he voivat osoittaa kvanttiedun. He raportoivat havainnoistaan AVS kvanttitiede.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/