La technologie de capture du carbone pourrait bénéficier de l'informatique quantique

Les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour étudier les réactions chimiques liées à la capture du carbone en effectuant des calculs qui dépassent les capacités des ordinateurs classiques, même les plus puissants, selon des chercheurs américains. L'équipe au Laboratoire national des technologies énergétiques (NETL) et l'Université du Kentucky ont utilisé un supercalculateur pour simuler les calculs quantiques. Cela a révélé que le calcul pourrait être effectué beaucoup plus rapidement sur les ordinateurs quantiques du futur.

L'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est à l'origine du réchauffement climatique. Les scientifiques souhaitent donc développer de nouvelles façons d'absorber le gaz et de le stocker. Une façon d'y parvenir est d'utiliser des réactions chimiques qui consomment du dioxyde de carbone, créant des substances qui peuvent être stockées en toute sécurité. Cependant, les réactions de capture de carbone existantes ont tendance à être énergivores et coûteuses. En conséquence, les chercheurs sont à la recherche de nouvelles réactions de capture du carbone et également de moyens de prédire l'efficacité des réactions à des températures et des pressions réalistes.

La conception de voies de réaction optimales nécessite une compréhension détaillée des propriétés quantiques microscopiques des molécules impliquées. C'est un défi car les calculs précis de la nature quantique des réactions chimiques sont notoirement difficiles à faire sur des ordinateurs conventionnels. Les ressources de calcul requises augmentent de manière exponentielle avec le nombre d'atomes impliqués, ce qui rend très difficile la simulation de réactions même simples. Heureusement, cette mise à l'échelle exponentielle ne se produit pas si les calculs sont effectués sur des ordinateurs quantiques.

Petit et bruyant

Les ordinateurs quantiques en sont encore aux premiers stades de développement et les plus grosses machines sont limitées à un quelques centaines de bits quantiques (qubits). Ils sont également en proie au bruit, qui inhibe les calculs quantiques. La capacité de ces ordinateurs quantiques bruyants à échelle intermédiaire (NISQ) à effectuer des calculs utiles fait donc encore l'objet de nombreux débats. Une voie prometteuse consiste à combiner les ordinateurs quantiques et classiques pour atténuer les effets du bruit dans les algorithmes quantiques. Cette approche inclut le solveur propre quantique variationnel (VQE), qui a été utilisé par les chercheurs du NETL/Kentucky.

Dans un VQE, un ordinateur classique génère une estimation de la configuration quantique des molécules en réaction. Ensuite, l'ordinateur quantique calcule l'énergie de cette configuration. L'algorithme classique ajuste itérativement cette supposition jusqu'à ce que la configuration d'énergie la plus basse soit trouvée. Ainsi, l'état d'énergie le plus bas stable est calculé.

Ces dernières années, le matériel informatique quantique exécutant des algorithmes VQE a déterminé avec succès l'énergie de liaison de chaînes d'atomes d'hydrogène et l'énergie d'un molécule d'eau. Cependant, aucun des deux calculs n'a obtenu d'avantage quantique - ce qui se produit lorsqu'un ordinateur quantique effectue un calcul qu'un ordinateur classique ne peut pas effectuer dans un laps de temps réaliste.

Calcul quantique simulé

Maintenant, l'équipe NETL/Kentucky a exploré comment les algorithmes VQE pourraient être utilisés pour calculer comment une molécule de dioxyde de carbone réagit avec une molécule d'ammoniac. Cela impliquait d'utiliser un supercalculateur classique pour simuler le calcul quantique, y compris les niveaux de bruit attendus dans un NISQ.

Des études antérieures ont examiné comment l'ammoniac pourrait être utilisé pour la capture du carbone, mais il est peu probable que ces procédés puissent être utilisés à grande échelle. Cependant, les amines - des molécules complexes qui ressemblent à l'ammoniac - présentent un potentiel d'utilisation à grande échelle. En conséquence, l'étude de la réaction du dioxyde de carbone et de l'ammoniac est une première étape importante vers l'utilisation des VQE pour étudier les réactions impliquant des amines plus complexes.

"Nous devons choisir une réaction représentative pour faire la modélisation", déclare Yueh-Lin Lee, qui est membre de l'équipe de NETL. Lee souligne que leur réaction simplifiée leur permet de tester comment les algorithmes et dispositifs informatiques quantiques actuels se comportent avec l'augmentation de la taille moléculaire : du dioxyde de carbone à l'ammoniac en passant par le NH₂Molécule COOH que la réaction produit.

Alors que l'équipe a pu calculer la voie chimique du dioxyde de carbone réagissant avec l'ammoniac avec leur algorithme quantique simulé, obtenant les niveaux d'énergie vibrationnelle de NH₂COOH s'est avéré difficile. Leur supercalculateur a obtenu une réponse après trois jours de calculs, permettant à l'équipe de conclure qu'un ordinateur quantique avec un bruit suffisamment faible devrait être capable de faire le calcul beaucoup plus rapidement. De plus, ils ont découvert que si la molécule du produit était plus grande, un superordinateur classique ne serait pas en mesure de résoudre le problème.

Conditions réelles

Les chercheurs soulignent que le calcul précis des niveaux d'énergie vibratoire est crucial pour comprendre comment la réaction se comporterait dans des conditions réelles, à des températures non nulles.

"Si vous voulez observer la réaction dans des conditions réalistes, vous avez non seulement besoin de l'énergie totale, mais également des propriétés vibratoires", explique Dominic Alfonso, membre de l'équipe de NETL. « Une simulation classique n'est pas capable de calculer les propriétés vibrationnelles, alors que nous montrons qu'un algorithme quantique peut le faire. Donc, même à ce stade, nous pouvons voir un avantage quantique.

Qu'est-il arrivé au captage du carbone ?

Les ordinateurs quantiques existants ont suffisamment de qubits pour effectuer la simulation classique hors de portée des niveaux vibrationnels. Il reste à voir si ces ordinateurs quantiques ont un bruit suffisamment faible pour effectuer les calculs – bien que les simulations de bruit prédisent le succès.

Cependant, Kanav Setia, qui est le directeur général du fournisseur de logiciels d'informatique quantique basé aux États-Unis qTresse et un expert du VQE, a exprimé des doutes sur le fait que le modèle NETL/Kentucky capture le véritable niveau de bruit des ordinateurs quantiques existants. Setia, qui n'a pas participé à la recherche, a déclaré: "Compte tenu des progrès récents dans de nombreuses autres architectures, la réalisation de cette étude sur des ordinateurs quantiques pourrait être possible dans les années à venir."

L'équipe collabore maintenant avec IBM Quantum pour mettre en œuvre ses idées sur un ordinateur quantique existant et espère pouvoir démontrer un avantage quantique. Ils rapportent leurs découvertes dans AVS Science Quantique.

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