कार्बन कैप्चर तकनीक क्वांटम कंप्यूटिंग से लाभान्वित हो सकती है

क्वांटम कंप्यूटरों का उपयोग कार्बन कैप्चर से संबंधित रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है, जो कि सबसे शक्तिशाली क्लासिकल कंप्यूटरों की क्षमता से परे हैं - अमेरिका में शोधकर्ताओं के अनुसार। टीम पर राष्ट्रीय ऊर्जा प्रौद्योगिकी प्रयोगशाला (एनईटीएल) और केंटकी विश्वविद्यालय ने क्वांटम गणनाओं को अनुकरण करने के लिए एक सुपरकंप्यूटर का इस्तेमाल किया। इससे पता चला कि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों पर गणना बहुत तेजी से की जा सकती है।

वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड के बढ़ते स्तर ग्लोबल वार्मिंग को बढ़ावा दे रहे हैं इसलिए वैज्ञानिक गैस को अवशोषित करने और इसे संग्रहित करने के नए तरीके विकसित करने के इच्छुक हैं। ऐसा करने का एक तरीका रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करना है जो कार्बन डाइऑक्साइड का उपभोग करते हैं, ऐसे पदार्थ बनाते हैं जिन्हें सुरक्षित रूप से संग्रहीत किया जा सकता है। हालांकि, मौजूदा कार्बन-कैप्चर प्रतिक्रियाएं ऊर्जा गहन और महंगी होती हैं। नतीजतन, शोधकर्ता नई कार्बन-कैप्चर प्रतिक्रियाओं की तलाश में हैं और यथार्थवादी तापमान और दबावों पर प्रतिक्रिया क्षमता की भविष्यवाणी करने के तरीकों के लिए भी।

इष्टतम प्रतिक्रिया मार्गों को डिजाइन करने में शामिल अणुओं के सूक्ष्म क्वांटम गुणों की विस्तृत समझ की आवश्यकता होती है। यह एक चुनौती है क्योंकि पारंपरिक कंप्यूटरों पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं की क्वांटम प्रकृति की सटीक गणना करना बेहद मुश्किल है। आवश्यक कम्प्यूटेशनल संसाधनों में शामिल परमाणुओं की संख्या के साथ तेजी से वृद्धि होती है, जिससे सरल प्रतिक्रियाओं का अनुकरण करना बहुत कठिन हो जाता है। सौभाग्य से, यह घातीय स्केलिंग तब नहीं होती है जब गणना क्वांटम कंप्यूटर पर की जाती है।

छोटा और शोर

क्वांटम कंप्यूटर अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में हैं और सबसे बड़ी मशीनें एक तक सीमित हैं कुछ सौ क्वांटम बिट्स (qubits). वे शोर से भी त्रस्त हैं, जो क्वांटम गणनाओं को रोकता है। क्या ये नॉइज़ इंटरमीडिएट-स्केल क्वांटम कंप्यूटर (NISQs) उपयोगी गणना कर सकते हैं, इसलिए अभी भी बहुत बहस का विषय है। क्वांटम एल्गोरिदम में शोर के प्रभाव को कम करने के लिए क्वांटम और शास्त्रीय कंप्यूटरों का संयोजन एक आशाजनक तरीका है। इस दृष्टिकोण में परिवर्तनात्मक क्वांटम आइगेन्सोल्वर (VQE) शामिल है, जिसका उपयोग NETL/केंटकी शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था।

वीक्यूई में, शास्त्रीय कंप्यूटर प्रतिक्रियाशील अणुओं की क्वांटम कॉन्फ़िगरेशन के लिए अनुमान उत्पन्न करता है। फिर, क्वांटम कंप्यूटर उस कॉन्फ़िगरेशन की ऊर्जा की गणना करता है। शास्त्रीय एल्गोरिथ्म उस अनुमान को तब तक समायोजित करता है जब तक कि सबसे कम ऊर्जा विन्यास नहीं मिल जाता। इस प्रकार, स्थिर निम्नतम ऊर्जा अवस्था की गणना की जाती है।

हाल के वर्षों में, VQE एल्गोरिदम चलाने वाले क्वांटम कंप्यूटिंग हार्डवेयर ने सफलतापूर्वक बाध्यकारी ऊर्जा निर्धारित की है हाइड्रोजन परमाणुओं की श्रृंखला और ए की ऊर्जा पानी का अणु. हालाँकि, न तो गणना ने क्वांटम लाभ प्राप्त किया - जो तब होता है जब एक क्वांटम कंप्यूटर एक गणना करता है जो एक शास्त्रीय कंप्यूटर वास्तविक समय में नहीं कर सकता।

नकली क्वांटम गणना

अब, NETL/केंटकी टीम ने पता लगाया है कि कैसे VQE एल्गोरिदम का उपयोग यह गणना करने के लिए किया जा सकता है कि कार्बन डाइऑक्साइड अणु अमोनिया अणु के साथ कैसे प्रतिक्रिया करता है। इसमें एनआईएसक्यू में अपेक्षित शोर स्तर सहित क्वांटम गणना को अनुकरण करने के लिए शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर का उपयोग करना शामिल था।

पिछले अध्ययनों ने देखा है कि कार्बन कैप्चर के लिए अमोनिया का उपयोग कैसे किया जा सकता है, लेकिन यह संभावना नहीं है कि इन प्रक्रियाओं का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, अमीन - जटिल अणु जो अमोनिया के समान होते हैं - बड़े पैमाने पर उपयोग की संभावना दिखाते हैं। नतीजतन, अध्ययन करना कि कार्बन डाइऑक्साइड और अमोनिया कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, अधिक जटिल अमाइन से जुड़े प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए वीक्यूई का उपयोग करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण पहला कदम है।

"हमें मॉडलिंग करने के लिए एक प्रतिनिधि प्रतिक्रिया चुननी है," कहते हैं यू-लिन ली, जो NETL में टीम के सदस्य हैं। ली बताते हैं कि उनकी सरलीकृत प्रतिक्रिया उन्हें यह परीक्षण करने की अनुमति देती है कि वर्तमान क्वांटम कंप्यूटिंग एल्गोरिदम और उपकरण बढ़ते आणविक आकार के साथ कैसे किराया करते हैं: कार्बन डाइऑक्साइड से अमोनिया से एनएच तक₂COOH अणु जो प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है।

जबकि टीम कार्बन डाइऑक्साइड के रासायनिक मार्ग की गणना करने में सक्षम थी, अमोनिया के साथ उनके अनुरूपित क्वांटम एल्गोरिदम के साथ प्रतिक्रिया कर रही थी, एनएच के कंपन ऊर्जा स्तर प्राप्त कर रही थी₂COOH मुश्किल साबित हुआ। उनके सुपरकंप्यूटर ने तीन दिनों की गणना के बाद एक उत्तर प्राप्त किया, जिससे टीम को यह निष्कर्ष निकालने की अनुमति मिली कि पर्याप्त कम शोर वाला एक क्वांटम कंप्यूटर गणना को बहुत तेजी से करने में सक्षम होना चाहिए। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि यदि उत्पाद का अणु कोई बड़ा था, तो एक शास्त्रीय सुपर कंप्यूटर कंप्यूटर समस्या को हल करने में सक्षम नहीं होगा।

वास्तविक जीवन की स्थितियाँ

शोधकर्ता बताते हैं कि सटीक कंपन ऊर्जा स्तरों की गणना यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि गैर-शून्य तापमान पर वास्तविक जीवन स्थितियों में प्रतिक्रिया कैसे होगी।

एनईटीएल में टीम के सदस्य डॉमिनिक अल्फोंसो कहते हैं, "यदि आप यथार्थवादी स्थितियों में प्रतिक्रिया को देखना चाहते हैं, तो आपको न केवल कुल ऊर्जा बल्कि कंपन गुणों की भी आवश्यकता है।" "एक शास्त्रीय सिमुलेशन कंपन गुणों की गणना करने में सक्षम नहीं है, जबकि हम दिखाते हैं कि क्वांटम एल्गोरिदम ऐसा कर सकता है। तो इस स्तर पर भी, हम एक मात्रा में लाभ देख सकते हैं।"

कार्बन कैप्चर का जो कुछ भी हुआ?

मौजूदा क्वांटम कंप्यूटरों में कंपन स्तर के क्लासिकल आउट-ऑफ-द-सिमुलेशन करने के लिए पर्याप्त क्यूबिट्स हैं। क्या देखा जाना बाकी है कि क्या ऐसे क्वांटम कंप्यूटरों में गणना करने के लिए पर्याप्त शोर कम है - हालांकि शोर सिमुलेशन सफलता की भविष्यवाणी करते हैं।

हालांकि कनव सेतिया, जो अमेरिका स्थित क्वांटम कंप्यूटिंग सॉफ्टवेयर प्रदाता के मुख्य कार्यकारी अधिकारी हैं क्यूब्रेड और एक वीक्यूई विशेषज्ञ ने संदेह व्यक्त किया है कि एनईटीएल/केंटकी मॉडल मौजूदा क्वांटम कंप्यूटरों के वास्तविक शोर स्तर को पकड़ लेता है। सेतिया, जो शोध में शामिल नहीं हैं, कहते हैं, "कई अन्य आर्किटेक्चर में हालिया प्रगति को देखते हुए, आने वाले सालों में क्वांटम कंप्यूटर पर यह अध्ययन करना संभव हो सकता है।"

टीम अब मौजूदा क्वांटम कंप्यूटर पर अपने विचारों को लागू करने के लिए आईबीएम क्वांटम के साथ सहयोग कर रही है, और उम्मीद है कि वे क्वांटम लाभ प्रदर्शित कर सकते हैं। वे में अपने निष्कर्षों की रिपोर्ट करते हैं एवीएस क्वांटम विज्ञान.

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