טכנולוגיית לכידת פחמן יכולה להפיק תועלת ממחשוב קוונטי

ניתן להשתמש במחשבים קוונטיים כדי לחקור תגובות כימיות הקשורות ללכידת פחמן על ידי ביצוע חישובים שהם מעבר ליכולת של אפילו המחשבים הקלאסיים החזקים ביותר - על פי חוקרים בארה"ב. הצוות ב- המעבדה הלאומית לטכנולוגיית אנרגיה (NETL) ואוניברסיטת קנטקי השתמשו במחשב על כדי לדמות את חישובי הקוונטים. זה גילה שהחישוב יכול להיעשות הרבה יותר מהר במחשבי קוונטים של העתיד.

רמות הגוברות של פחמן דו חמצני באטמוספירה מניעה את ההתחממות הגלובלית ולכן מדענים להוטים לפתח דרכים חדשות לקליטת הגז ולאחסנו. אחת הדרכים לעשות זאת היא להשתמש בתגובות כימיות הצורכות פחמן דו חמצני, ויוצרות חומרים שניתן לאחסן אותם בבטחה. עם זאת, תגובות קיימות ללכידת פחמן נוטות להיות עתירות אנרגיה ויקרות. כתוצאה מכך, חוקרים מחפשים תגובות חדשות לכידת פחמן וגם אחר דרכים לחזות יעילות תגובה בטמפרטורות ולחצים מציאותיים.

תכנון מסלולי תגובה אופטימליים דורש הבנה מפורטת של התכונות הקוונטיות המיקרוסקופיות של המולקולות המעורבות. זהו אתגר מכיוון שקשה לשמצה לעשות חישובים מדויקים של הטבע הקוונטי של תגובות כימיות במחשבים רגילים. המשאבים החישוביים הנדרשים גדלים באופן אקספוננציאלי עם מספר האטומים המעורבים, מה שמקשה מאוד על הדמיה אפילו של תגובות פשוטות. למרבה המזל, קנה מידה אקספוננציאלי זה אינו מתרחש אם החישובים נעשים במחשבים קוונטיים.

קטן ורועש

מחשבי קוונטים עדיין נמצאים בשלבי פיתוח מוקדמים והמכונות הגדולות ביותר מוגבלות ל-a כמה מאות ביטים קוונטיים (קיוביטים). הם גם מושפעים מרעש, אשר מעכב חישובים קוונטיים. אם המחשבים הקוונטיים הרועשים בקנה מידה בינוני (NISQ) יכולים לעשות חישובים מועילים היא אפוא עדיין נושא לוויכוח רב. דרך אחת מבטיחה היא שילוב מחשבים קוונטיים ומחשבים קלאסיים כדי למתן את השפעות הרעש באלגוריתמים קוונטיים. גישה זו כוללת את פותר העצמי הקוונטי הווריאציוני (VQE), שבו השתמשו חוקרי NETL/קנטקי.

ב-VQE, מחשב קלאסי מייצר ניחוש עבור התצורה הקוונטית של המולקולות המגיבות. לאחר מכן, המחשב הקוונטי מחשב את האנרגיה של אותה תצורה. האלגוריתם הקלאסי מתאים באופן איטרטיבי את הניחוש הזה עד שנמצאת תצורת האנרגיה הנמוכה ביותר. לפיכך, מחושב מצב האנרגיה הנמוך ביותר.

בשנים האחרונות, חומרת מחשוב קוונטי המריץ אלגוריתמי VQE קבעה בהצלחה את אנרגיית הקישור של שרשראות של אטומי מימן והאנרגיה של א מולקולת מים. עם זאת, אף אחד מהחישובים לא השיג יתרון קוונטי - המתרחש כאשר מחשב קוונטי מבצע חישוב שמחשב קלאסי אינו יכול לבצע בפרק זמן ריאלי.

חישוב קוונטי מדומה

כעת, צוות NETL/קנטקי חקר כיצד ניתן להשתמש באלגוריתמי VQE כדי לחשב כיצד מולקולת פחמן דו חמצני מגיבה עם מולקולת אמוניה. זה כלל שימוש במחשב על קלאסי כדי לדמות את החישוב הקוונטי, כולל רמות הרעש הצפויות ב-NISQ.

מחקרים קודמים בדקו כיצד ניתן להשתמש באמוניה ללכידת פחמן, אך לא סביר שניתן יהיה להשתמש בתהליכים אלה בקנה מידה גדול. עם זאת, אמינים - מולקולות מורכבות הדומות לאמוניה - מראים פוטנציאל לשימוש בקנה מידה גדול. כתוצאה מכך, לימוד האופן שבו פחמן דו חמצני ואמוניה מגיבים הוא צעד ראשון חשוב לקראת שימוש ב-VQEs כדי לחקור תגובות המערבות אמינים מורכבים יותר.

"אנחנו צריכים לבחור תגובה מייצגת כדי לעשות את הדוגמנות", אומר יואה-לין לי, שהוא חבר צוות ב-NETL. לי מציין שהתגובה הפשוטה שלהם מאפשרת להם לבדוק כיצד אלגוריתמים ומכשירים מחשוב קוונטי מסתדרים עם גודל מולקולרי הולך וגדל: מפחמן דו חמצני לאמוניה ועד ל-NH₂מולקולת COOH שהריאקציה מייצרת.

בעוד שהצוות הצליח לחשב את המסלול הכימי של פחמן דו-חמצני המגיב עם אמוניה בעזרת האלגוריתם הקוונטי המדומה שלהם, והשיג את רמות האנרגיה הרטט של NH₂COOH התגלה כקשה. מחשב העל שלהם קיבל תשובה לאחר שלושה ימים של חישובים, מה שאפשר לצוות להגיע למסקנה שמחשב קוונטי עם רעש נמוך מספיק אמור להיות מסוגל לבצע את החישוב הרבה יותר מהר. יתר על כן, הם גילו שאם מולקולת המוצר הייתה גדולה יותר, מחשב על קלאסי לא יוכל לפתור את הבעיה.

תנאי החיים האמיתיים

החוקרים מציינים כי חישוב רמות אנרגיית רטט מדויקות הוא חיוני להבנת אופן התגובה בתנאי החיים האמיתיים, בטמפרטורות שאינן אפס.

"אם אתה רוצה להסתכל על התגובה בתנאים מציאותיים, לא רק שאתה צריך את האנרגיה הכוללת אלא גם את תכונות הרטט", אומר חבר הצוות דומיניק אלפונסו ב-NETL. "סימולציה קלאסית אינה מסוגלת לחשב את תכונות הרטט, בעוד שאנו מראים שאלגוריתם קוונטי יכול לעשות זאת. אז אפילו בשלב זה, אנו עשויים לראות יתרון קוונטי".

מה קרה ללכידת פחמן?

למחשבים קוונטיים קיימים יש מספיק קיוביטים כדי לבצע סימולציה קלאסית מחוץ להישג יד של רמות רטט. מה שנותר לראות הוא האם למחשבים קוונטיים כאלה יש רעש נמוך מספיק כדי לבצע את החישובים - למרות שהדמיות רעש מנבאות הצלחה.

עם זאת, קנב סטיה, שהוא המנכ"ל של ספקית תוכנת המחשוב הקוונטי בארה"ב qBraid ומומחה VQE, הביע ספק שדגם NETL/Kentucky לוכד את רמת הרעש האמיתית של מחשבים קוונטיים קיימים. סטיה, שלא היה מעורב במחקר, אומר "בהתחשב בהתקדמות האחרונה בארכיטקטורות רבות אחרות, ביצוע מחקר זה על מחשבים קוונטיים עשוי להיות אפשרי בשנים הקרובות."

הצוות משתף כעת פעולה עם IBM quantum כדי ליישם את הרעיונות שלהם במחשב קוונטי קיים, ומקווה שהם עשויים להפגין יתרון קוונטי. הם מדווחים על הממצאים שלהם ב AVS Quantum Science.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/