La tecnologia di cattura del carbonio potrebbe trarre vantaggio dal calcolo quantistico

I computer quantistici potrebbero essere usati per studiare le reazioni chimiche legate alla cattura del carbonio eseguendo calcoli che vanno oltre le capacità anche dei computer classici più potenti, secondo i ricercatori negli Stati Uniti. La squadra al Laboratorio Nazionale di Tecnologia Energetica (NETL) e l'Università del Kentucky hanno utilizzato un supercomputer per simulare i calcoli quantistici. Ciò ha rivelato che il calcolo potrebbe essere eseguito molto più velocemente sui computer quantistici del futuro.

L'aumento dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera sta guidando il riscaldamento globale, quindi gli scienziati sono desiderosi di sviluppare nuovi modi per assorbire il gas e immagazzinarlo. Un modo per farlo è utilizzare reazioni chimiche che consumano anidride carbonica, creando sostanze che possono essere immagazzinate in modo sicuro. Tuttavia, le reazioni di cattura del carbonio esistenti tendono ad essere ad alta intensità energetica e costose. Di conseguenza, i ricercatori sono alla ricerca di nuove reazioni di cattura del carbonio e anche di modi per prevedere l'efficienza della reazione a temperature e pressioni realistiche.

La progettazione di percorsi di reazione ottimali richiede una comprensione dettagliata delle proprietà quantistiche microscopiche delle molecole coinvolte. Questa è una sfida perché i calcoli precisi della natura quantistica delle reazioni chimiche sono notoriamente difficili da eseguire sui computer convenzionali. Le risorse computazionali richieste aumentano in modo esponenziale con il numero di atomi coinvolti, rendendo molto difficile simulare reazioni anche semplici. Fortunatamente, questo ridimensionamento esponenziale non si verifica se i calcoli vengono eseguiti su computer quantistici.

Piccolo e rumoroso

I computer quantistici sono ancora nelle prime fasi di sviluppo e le macchine più grandi sono limitate a a poche centinaia di bit quantistici (qubit). Sono anche afflitti dal rumore, che inibisce i calcoli quantistici. Se questi rumorosi computer quantistici su scala intermedia (NISQ) possano fare calcoli utili è quindi ancora oggetto di molto dibattito. Una strada promettente è la combinazione di computer quantistici e classici per mitigare gli effetti del rumore negli algoritmi quantistici. Questo approccio include l'autorisolutore quantistico variazionale (VQE), utilizzato dai ricercatori NETL/Kentucky.

In un VQE, un computer classico genera un'ipotesi per la configurazione quantistica delle molecole che reagiscono. Quindi, il computer quantistico calcola l'energia di quella configurazione. L'algoritmo classico regola in modo iterativo tale ipotesi finché non viene trovata la configurazione energetica più bassa. Pertanto, viene calcolato lo stato energetico più basso stabile.

Negli ultimi anni, l'hardware di calcolo quantistico che esegue algoritmi VQE ha determinato con successo l'energia di legame di catene di atomi di idrogeno e l'energia di a molecola d'acqua. Tuttavia, nessuno dei due calcoli ha ottenuto un vantaggio quantistico, che si verifica quando un computer quantistico esegue un calcolo che un computer classico non può eseguire in un periodo di tempo realistico.

Calcolo quantistico simulato

Ora, il team NETL/Kentucky ha esplorato come gli algoritmi VQE potrebbero essere utilizzati per calcolare come una molecola di anidride carbonica reagisce con una molecola di ammoniaca. Ciò ha comportato l'utilizzo di un supercomputer classico per simulare il calcolo quantistico, inclusi i livelli di rumore previsti in un NISQ.

Studi precedenti hanno esaminato come l'ammoniaca potrebbe essere utilizzata per la cattura del carbonio, ma è improbabile che questi processi possano essere utilizzati su larga scala. Tuttavia, le ammine - molecole complesse che assomigliano all'ammoniaca - mostrano il potenziale per un uso su larga scala. Di conseguenza, studiare come reagiscono l'anidride carbonica e l'ammoniaca è un primo passo importante verso l'utilizzo di VQE per studiare le reazioni che coinvolgono ammine più complesse.

"Dobbiamo scegliere una reazione rappresentativa per fare la modellazione", dice Yueh-Lin Lee, che è un membro del team di NETL. Lee sottolinea che la loro reazione semplificata consente loro di testare come gli attuali algoritmi e dispositivi di calcolo quantistico se la cavano con l'aumento delle dimensioni molecolari: dall'anidride carbonica all'ammoniaca all'NH₂COOH molecola che la reazione produce.

Mentre il team è stato in grado di calcolare il percorso chimico dell'anidride carbonica che reagisce con l'ammoniaca con il loro algoritmo quantistico simulato, ottenendo i livelli di energia vibrazionale di NH₂COOH si è rivelato difficile. Il loro supercomputer ha ottenuto una risposta dopo tre giorni di calcoli, consentendo al team di concludere che un computer quantistico con un rumore sufficientemente basso dovrebbe essere in grado di eseguire il calcolo molto più velocemente. Inoltre, hanno scoperto che se la molecola del prodotto fosse più grande, un computer supercomputer classico non sarebbe in grado di risolvere il problema.

Condizioni di vita reale

I ricercatori sottolineano che il calcolo di precisi livelli di energia vibrazionale è fondamentale per capire come si comporterebbe la reazione in condizioni di vita reale, a temperature diverse da zero.

"Se vuoi osservare la reazione in condizioni realistiche, non solo hai bisogno dell'energia totale ma anche delle proprietà vibrazionali", afferma Dominic Alfonso, membro del team di NETL. “Una simulazione classica non è in grado di calcolare le proprietà vibrazionali, mentre noi dimostriamo che un algoritmo quantistico può farlo. Quindi, anche in questa fase, potremmo vedere un vantaggio quantico".

Che fine ha fatto la cattura del carbonio?

I computer quantistici esistenti hanno abbastanza qubit per eseguire la classica simulazione fuori portata dei livelli vibrazionali. Ciò che resta da vedere è se tali computer quantistici abbiano un rumore sufficientemente basso per eseguire i calcoli, sebbene le simulazioni del rumore prevedano il successo.

Tuttavia Kanav Setia, che è amministratore delegato del fornitore di software di calcolo quantistico con sede negli Stati Uniti qTreccia e un esperto di VQE, ha espresso dubbi sul fatto che il modello NETL/Kentucky catturi il vero livello di rumore dei computer quantistici esistenti. Setia, che non è coinvolto nella ricerca, afferma: "Dati i recenti progressi in molte altre architetture, nei prossimi anni potrebbe essere possibile eseguire questo studio su computer quantistici".

Il team sta ora collaborando con IBM quantum per implementare le proprie idee su un computer quantistico esistente e spera di poter dimostrare un vantaggio quantistico. Riportano le loro scoperte in Scienza quantistica AVS.

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