炭素回収技術は量子コンピューティングの恩恵を受ける可能性がある

米国の研究者によると、量子コンピューターを使用して、最も強力な従来のコンピューターの能力を超える計算を行うことで、炭素回収に関連する化学反応を研究できる可能性があります。 のチーム 国立エネルギー技術研究所 (NETL) とケンタッキー大学は、スーパーコンピューターを使用して量子計算をシミュレートしました。 これにより、将来の量子コンピューターでは計算がはるかに高速になることが明らかになりました。

大気中の二酸化炭素濃度の上昇は地球温暖化を促進しているため、科学者はガスを吸収して貯蔵する新しい方法の開発に熱心です。 これを行う XNUMX つの方法は、二酸化炭素を消費する化学反応を使用して、安全に保管できる物質を作成することです。 しかし、既存の炭素捕獲反応は、エネルギー集約的で高価になる傾向があります。 その結果、研究者は新しい炭素捕獲反応と、現実的な温度と圧力での反応効率を予測する方法を探しています。

最適な反応経路を設計するには、関与する分子の微視的な量子特性を詳細に理解する必要があります。 化学反応の量子的性質を正確に計算することは、従来のコンピューターでは難しいことで知られているため、これは課題です。 必要な計算リソースは、関与する原子の数に応じて指数関数的に増加するため、単純な反応のシミュレーションでさえ非常に困難になります。 幸いなことに、計算が量子コンピューターで行われる場合、この指数関数的スケーリングは発生しません。

小さくて騒々しい

量子コンピュータはまだ開発の初期段階にあり、最大のマシンは XNUMX 台に限られています。 数百の量子ビット (キュービット)）。 また、量子計算を阻害するノイズにも悩まされています。 したがって、これらのノイズを含む中規模の量子コンピューター (NISQ) が有用な計算を実行できるかどうかは、依然として多くの議論の対象となっています。 有望な手段の XNUMX つは、量子コンピューターと古典コンピューターを組み合わせて、量子アルゴリズムのノイズの影響を軽減することです。 このアプローチには、NETL/ケンタッキー州の研究者が使用した変分量子固有値ソルバー (VQE) が含まれます。

VQE では、古典的なコンピューターが反応分子の量子配置の推測を生成します。 次に、量子コンピューターはその構成のエネルギーを計算します。 古典的なアルゴリズムは、最も低いエネルギー構成が見つかるまで、その推測を繰り返し調整します。 したがって、安定した最低エネルギー状態が計算されます。

近年、VQE アルゴリズムを実行する量子コンピューティング ハードウェアは、結合エネルギーの決定に成功しています。 水素原子の鎖 とのエネルギー 水分子. しかし、どちらの計算も量子的優位性を達成しませんでした。これは、量子コンピューターが、従来のコンピューターが現実的な時間内に実行できない計算を実行した場合に発生します。

模擬量子計算

現在、NETL/ケンタッキー チームは、VQE アルゴリズムを使用して、二酸化炭素分子がアンモニア分子とどのように反応するかを計算する方法を調査しました。 これには、従来のスーパーコンピューターを使用して、NISQ で予想されるノイズ レベルを含む量子計算をシミュレートすることが含まれていました。

過去の研究では、アンモニアが炭素回収にどのように使用されるかが検討されてきましたが、これらのプロセスが大規模に使用される可能性は低いです。 ただし、アミン (アンモニアに似た複雑な分子) は、大規模な使用の可能性を示しています。 その結果、二酸化炭素とアンモニアがどのように反応するかを研究することは、VQE を使用してより複雑なアミンが関与する反応を研究するための重要な最初のステップです。

「モデリングを行うには、代表的な反応を選択する必要があります」と述べています。 ユエリン・リーNETL のチーム メンバーです。 Lee 氏は、単純化された反応により、現在の量子コンピューティング アルゴリズムとデバイスが、二酸化炭素からアンモニア、NH まで、分子サイズの増加に伴ってどのように機能するかをテストできると指摘しています。₂反応によって生成される COOH 分子。

チームは、シミュレートされた量子アルゴリズムを使用して、アンモニアと反応する二酸化炭素の化学経路を計算することができましたが、NH の振動エネルギーレベルを取得しました₂COOHは難しかった。 彼らのスーパーコンピューターは XNUMX 日間の計算の後に答えを得て、チームは、ノイズが十分に低い量子コンピューターが計算をはるかに高速に実行できるはずであると結論付けることができました。 さらに、生成される分子がこれよりも大きい場合、従来のスーパーコンピューター コンピューターでは問題を解決できないことがわかりました。

実際の条件

研究者は、正確な振動エネルギーレベルを計算することは、ゼロでない温度での実際の条件で反応がどのように進行するかを理解するために重要であると指摘しています.

「現実的な条件で反応を見たい場合は、総エネルギーだけでなく、振動特性も必要です」と、NETL のチーム メンバーである Dominic Alfonso は言います。 「古典的なシミュレーションでは振動特性を計算できませんが、量子アルゴリズムでは計算できることを示しています。 したがって、この段階でも、量子的な利点が見られるかもしれません。」

炭素回収に何が起こったのですか？

既存の量子コンピューターには、古典的に手の届かない振動レベルのシミュレーションを実行するのに十分な量子ビットがあります。 ノイズ シミュレーションでは成功が予測されますが、そのような量子コンピューターのノイズが計算を実行するのに十分に低いかどうかは、まだわかっていません。

しかし、米国に本拠を置く量子コンピューティング ソフトウェア プロバイダーの最高経営責任者である Kanav Setia 氏は、 三つ編み と VQE の専門家は、NETL/ケンタッキー モデルが既存の量子コンピューターの真のノイズ レベルを捉えていることに疑問を表明しています。 この研究には関与していない Setia 氏は、「他の多くのアーキテクチャにおける最近の進歩を考えると、量子コンピューターでこの研究を行うことは、今後数年のうちに可能になるかもしれません」と述べています。

チームは現在、IBM 量子と協力して既存の量子コンピューターにアイデアを実装しており、量子の利点を実証できることを期待しています。 彼らは調査結果を AVS量子科学.

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