Des chercheurs britanniques : Quantum peut simuler des catalyseurs dans des processus chimiques et réduire les impacts environnementaux

Des chercheurs de la société d'ingénierie quantique Riverlane et de la société de technologie durable Johnson Matthey ont annoncé avoir développé des algorithmes quantiques pour simuler les catalyseurs utilisés dans les processus chimiques industriels. Les entreprises affirment que leur travail peut réduire l'impact environnemental de tout, des piles à combustible à la pétrochimie et à la production d'hydrogène.

La recherche a été publié dans Physical Review Research la semaine dernière et montre comment un ordinateur quantique à correction d'erreur peut simuler l'oxyde de nickel et l'oxyde de palladium. Ce sont des matériaux importants dans la catalyse hétérogène, un processus utilisé pour créer une large gamme de produits chimiques et de carburants, selon les entreprises.

« Notre algorithme permet la simulation quantique de grands systèmes à l'état solide avec des durées d'exécution souvent associées à des systèmes moléculaires beaucoup plus petits. Ce travail ouvre la voie à de futures simulations pratiques de matériaux sur des ordinateurs quantiques à correction d'erreur », a déclaré le Dr Aleksei Ivanov, scientifique quantique à Ruelle et l'auteur principal du journal.

De nombreux matériaux sont difficiles à simuler sur des ordinateurs ordinaires en raison de leur nature complexe et quantique. C'est là que les ordinateurs quantiques peuvent aider, mais jusqu'à présent, la plupart des recherches se sont concentrées sur la simulation de molécules, pas de matériaux. En effet, les matériaux ont une structure supplémentaire, telle qu'une symétrie de translation ou une périodicité.

"Les méthodes de calcul classiques couramment utilisées reposent souvent sur des approximations qui peuvent ne pas être bien justifiées pour certains matériaux, y compris les oxydes métalliques fortement corrélés, conduisant à des performances insatisfaisantes", selon le Dr Tom Ellaby, scientifique R&D chez Johnson Matthey.

Le Dr Rachel Kerber, scientifique principale chez Johnson Matthey, a déclaré : « Les simulations quantiques pourraient nous fournir un moyen de modéliser bon nombre de ces matériaux, qui intéressent souvent beaucoup les chercheurs en catalyse et en science des matériaux en général.

Les chercheurs ont tiré parti des concepts développés dans la recherche informatique classique sur la matière condensée pour développer le nouvel algorithme quantique.

« Dans ce travail, nous nous sommes posé une question : comment modifier un algorithme moléculaire existant pour profiter de la structure du matériau ? Nous avons compris comment faire cela et, par conséquent, nos modifications à l'algorithme quantique existant réduisent les besoins en ressources quantiques. Ainsi, les futurs ordinateurs quantiques nécessitent beaucoup moins de qubits et une profondeur de circuit réduite, par rapport aux algorithmes quantiques précédents sans aucune modification », a déclaré le Dr Christoph Sunderhauf, scientifique quantique senior chez Riverlane et co-auteur de l'article. "La principale mise en garde ici est que nous devrons attendre que quelqu'un construise réellement un ordinateur quantique à correction d'erreur suffisamment grand."

Les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui ont quelques centaines de bits quantiques (qubits), tout au plus, ce qui limite l'utilité de ces machines. Mais les ordinateurs quantiques doivent évoluer par ordre de grandeur pour atteindre la correction d'erreurs et débloquer des applications dans de multiples industries.

Pour atteindre la correction d'erreurs plus tôt, Riverlane construit un système d'exploitation pour les ordinateurs quantiques à correction d'erreurs, qui comprend un système de contrôle (pour contrôler et calibrer les millions de qubits requis) et des décodeurs rapides (pour arrêter la propagation des erreurs et rendre les calculs inutiles). Lorsque ces ordinateurs quantiques corrigés des erreurs seront prêts, nous aurons également besoin d'algorithmes quantiques tolérants aux pannes pour être prêts à fonctionner sur ces machines.

"Nous devons nous efforcer de débloquer des cas d'application utiles d'ordinateurs quantiques", a déclaré Ivanov. "Si nous continuons à améliorer davantage les algorithmes quantiques, nous n'aurions pas besoin de construire un ordinateur quantique aussi énorme pour des applications utiles."

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• La source: https://insidehpc.com/2023/03/uk-researchers-quantum-can-simulate-catalysts-in-chemical-processes-cut-environmental-impacts/