Teknologi penangkapan karbon dapat mengambil manfaat dari komputasi kuantum

Komputer kuantum dapat digunakan untuk mempelajari reaksi kimia yang terkait dengan penangkapan karbon dengan melakukan perhitungan yang berada di luar kemampuan bahkan komputer klasik yang paling kuat sekalipun – menurut para peneliti di AS. Tim di Laboratorium Teknologi Energi Nasional (NETL) dan University of Kentucky menggunakan superkomputer untuk mensimulasikan perhitungan kuantum. Ini mengungkapkan bahwa perhitungan dapat dilakukan lebih cepat pada komputer kuantum di masa depan.

Meningkatnya kadar karbon dioksida di atmosfer mendorong pemanasan global sehingga para ilmuwan ingin mengembangkan cara baru untuk menyerap gas dan menyimpannya. Salah satu cara melakukannya adalah dengan menggunakan reaksi kimia yang mengonsumsi karbon dioksida, menciptakan zat yang dapat disimpan dengan aman. Namun, reaksi penangkapan karbon yang ada cenderung intensif energi dan mahal. Akibatnya, para peneliti sedang mencari reaksi penangkapan karbon baru dan juga cara untuk memprediksi efisiensi reaksi pada suhu dan tekanan yang realistis.

Merancang jalur reaksi yang optimal membutuhkan pemahaman rinci tentang sifat kuantum mikroskopis dari molekul yang terlibat. Ini merupakan tantangan karena perhitungan yang tepat dari sifat kuantum reaksi kimia sangat sulit dilakukan pada komputer konvensional. Sumber daya komputasi yang diperlukan meningkat secara eksponensial dengan jumlah atom yang terlibat, membuat simulasi bahkan reaksi sederhana menjadi sangat sulit. Untungnya, penskalaan eksponensial ini tidak terjadi jika perhitungan dilakukan pada komputer kuantum.

Kecil dan berisik

Komputer kuantum masih dalam tahap awal pengembangan dan mesin terbesar terbatas pada a beberapa ratus bit kuantum (qubit). Mereka juga diganggu oleh kebisingan, yang menghambat perhitungan kuantum. Oleh karena itu, apakah komputer kuantum skala menengah (NISQ) yang berisik ini dapat melakukan perhitungan yang berguna masih menjadi bahan perdebatan. Salah satu jalan yang menjanjikan adalah menggabungkan komputer kuantum dan klasik untuk mengurangi efek kebisingan dalam algoritme kuantum. Pendekatan ini mencakup pemecah eigen kuantum variasional (VQE), yang digunakan oleh para peneliti NETL/Kentucky.

Dalam VQE, komputer klasik menghasilkan perkiraan konfigurasi kuantum dari molekul yang bereaksi. Kemudian, komputer kuantum menghitung energi dari konfigurasi tersebut. Algoritme klasik secara iteratif menyesuaikan tebakan tersebut hingga konfigurasi energi terendah ditemukan. Dengan demikian, keadaan energi terendah yang stabil dihitung.

Dalam beberapa tahun terakhir, perangkat keras komputasi kuantum yang menjalankan algoritme VQE telah berhasil menentukan energi ikat dari rantai atom hidrogen dan energi a molekul air. Namun, tidak ada kalkulasi yang mencapai keunggulan kuantum – yang terjadi ketika komputer kuantum melakukan kalkulasi yang tidak dapat dilakukan oleh komputer klasik dalam jumlah waktu yang realistis.

Simulasi perhitungan kuantum

Sekarang, tim NETL/Kentucky telah mengeksplorasi bagaimana algoritma VQE dapat digunakan untuk menghitung bagaimana molekul karbon dioksida bereaksi dengan molekul amonia. Ini melibatkan penggunaan superkomputer klasik untuk mensimulasikan perhitungan kuantum, termasuk tingkat kebisingan yang diharapkan dalam NISQ.

Studi sebelumnya telah melihat bagaimana amonia dapat digunakan untuk menangkap karbon, tetapi tidak mungkin proses ini dapat digunakan dalam skala besar. Namun, amina – molekul kompleks yang menyerupai amonia – menunjukkan potensi untuk penggunaan skala besar. Akibatnya, mempelajari bagaimana karbon dioksida dan amonia bereaksi merupakan langkah pertama yang penting untuk menggunakan VQE untuk mempelajari reaksi yang melibatkan amina yang lebih kompleks.

“Kami harus memilih reaksi yang representatif untuk melakukan pemodelan,” kata Yueh-Lin Lee, yang merupakan anggota tim di NETL. Lee menunjukkan bahwa reaksi mereka yang disederhanakan memungkinkan mereka untuk menguji bagaimana algoritme dan perangkat komputasi kuantum saat ini bekerja dengan peningkatan ukuran molekul: dari karbon dioksida ke amonia ke NH₂molekul COOH yang dihasilkan reaksi.

Sementara tim dapat menghitung jalur kimia karbon dioksida yang bereaksi dengan amonia dengan algoritme kuantum simulasi mereka, memperoleh tingkat energi vibrasi NH₂COOH terbukti sulit. Superkomputer mereka memperoleh jawaban setelah tiga hari perhitungan, memungkinkan tim untuk menyimpulkan bahwa komputer kuantum dengan kebisingan yang cukup rendah seharusnya dapat melakukan perhitungan lebih cepat. Selain itu, mereka menemukan bahwa jika molekul produk lebih besar, komputer superkomputer klasik tidak akan mampu menyelesaikan masalah.

Kondisi kehidupan nyata

Para peneliti menunjukkan bahwa menghitung tingkat energi getaran yang tepat sangat penting untuk memahami bagaimana reaksi akan berlangsung dalam kondisi kehidupan nyata, pada suhu yang tidak nol.

"Jika Anda ingin melihat reaksi dalam kondisi realistis, Anda tidak hanya membutuhkan energi total tetapi juga properti getaran," kata anggota tim Dominic Alfonso di NETL. “Simulasi klasik tidak dapat menghitung properti vibrasi, sedangkan kami menunjukkan bahwa algoritme kuantum dapat melakukan itu. Jadi bahkan pada tahap ini, kita mungkin melihat keuntungan kuantum.”

Apa yang terjadi dengan penangkapan karbon?

Komputer kuantum yang ada memiliki cukup qubit untuk melakukan simulasi tingkat getaran klasik yang tidak terjangkau. Apa yang masih harus dilihat adalah apakah komputer kuantum tersebut memiliki noise yang cukup rendah untuk melakukan perhitungan – meskipun simulasi noise memprediksi keberhasilan.

Namun Kanav Setia, yang merupakan chief executive officer dari penyedia perangkat lunak komputasi kuantum yang berbasis di AS qkepang dan seorang ahli VQE, telah menyatakan keraguan bahwa model NETL/Kentucky menangkap tingkat kebisingan sebenarnya dari komputer kuantum yang ada. Setia, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan "Mengingat kemajuan baru-baru ini di banyak arsitektur lain, melakukan studi ini pada komputer kuantum dapat dilakukan di tahun-tahun mendatang."

Tim tersebut sekarang berkolaborasi dengan IBM quantum untuk mengimplementasikan ide mereka pada komputer quantum yang ada, dan berharap mereka dapat mendemonstrasikan keunggulan quantum. Mereka melaporkan temuan mereka di Ilmu Kuantum AVS.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/