Ricercatori britannici: Quantum può simulare i catalizzatori nei processi chimici, ridurre gli impatti ambientali

I ricercatori della società di ingegneria quantistica Riverlane e della società di tecnologia sostenibile Johnson Matthey hanno annunciato di aver sviluppato algoritmi quantistici per simulare i catalizzatori utilizzati nei processi chimici industriali. Le aziende affermano che il loro lavoro può ridurre l'impatto ambientale di tutto, dalle celle a combustibile ai prodotti petrolchimici e alla produzione di idrogeno.

La ricerca è stata pubblicato su Physical Review Research la scorsa settimana e dimostra come un computer quantistico con correzione degli errori può simulare l'ossido di nichel e l'ossido di palladio. Si tratta di materiali importanti nella catalisi eterogenea, un processo utilizzato per creare un'ampia gamma di prodotti chimici e combustibili, secondo le aziende.

“Il nostro algoritmo consente la simulazione quantistica di grandi sistemi a stato solido con tempi di esecuzione spesso associati a sistemi molecolari molto più piccoli. Questo lavoro apre la strada a future simulazioni pratiche di materiali su computer quantistici con correzione degli errori", ha affermato il dott. Aleksei Ivanov, scienziato quantistico presso Riverlano e l'autore principale del documento.

Molti materiali sono difficili da simulare su normali computer a causa della loro complessa natura quantistica. È qui che i computer quantistici possono aiutare, ma fino ad ora la maggior parte della ricerca si è concentrata sulla simulazione di molecole, non di materiali. Questo perché i materiali hanno una struttura aggiuntiva, come la simmetria traslazionale o la periodicità.

"I metodi computazionali classici comunemente usati spesso si basano su approssimazioni che potrebbero non essere ben giustificate per determinati materiali, inclusi ossidi di metallo fortemente correlati, portando a prestazioni insoddisfacenti", secondo il dott. Tom Ellaby, uno scienziato di ricerca e sviluppo presso johnson matthey.

La dott.ssa Rachel Kerber, scienziata senior presso Johnson Matthey, ha dichiarato: "Le simulazioni quantistiche potrebbero fornirci un mezzo per modellare molti di questi materiali, che sono spesso di grande interesse per i ricercatori nella catalisi e nella scienza dei materiali in generale".

I ricercatori hanno sfruttato i concetti sviluppati nella classica ricerca computazionale sulla materia condensata per sviluppare il nuovo algoritmo quantistico.

“In questo lavoro, ci siamo posti una domanda: come possiamo modificare un algoritmo molecolare esistente per sfruttare la struttura del materiale? Abbiamo capito come farlo e, di conseguenza, le nostre modifiche all'algoritmo quantistico esistente riducono i requisiti di risorse quantistiche. Quindi, i futuri computer quantistici richiedono molti meno qubit e una profondità del circuito ridotta, rispetto a quando i precedenti algoritmi quantistici senza alcuna modifica ", ha affermato il dott. Christoph Sunderhauf, scienziato quantistico senior presso Riverlane e coautore dell'articolo. "L'avvertimento principale qui è che dovremo aspettare fino a quando qualcuno costruirà effettivamente un computer quantistico sufficientemente grande con correzione degli errori".

I computer quantistici di oggi hanno al massimo poche centinaia di bit quantici (qubit), limitando l'utilità di queste macchine. Ma i computer quantistici devono scalare di ordini di grandezza per raggiungere la correzione degli errori e sbloccare le applicazioni in più settori.

Per raggiungere prima la correzione degli errori, Riverlane sta costruendo un sistema operativo per computer quantistici con correzione degli errori, che include un sistema di controllo (per controllare e calibrare i milioni di qubit richiesti) e decodificatori veloci (per impedire la propagazione degli errori e rendere inutili i calcoli). Quando questi computer quantistici con correzione degli errori saranno pronti, avremo bisogno anche di algoritmi quantistici a tolleranza d'errore pronti per essere eseguiti su queste macchine.

"Dobbiamo sforzarci di sbloccare utili casi applicativi di computer quantistici", ha affermato Ivanov. "Se continuiamo a migliorare ulteriormente gli algoritmi quantistici, non avremmo bisogno di costruire un computer quantistico così grande per applicazioni utili".

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