Technologie voor het afvangen van koolstof kan baat hebben bij kwantumcomputing

Kwantumcomputers zouden kunnen worden gebruikt om chemische reacties gerelateerd aan koolstofafvang te bestuderen door berekeningen uit te voeren die zelfs de krachtigste klassieke computers te boven gaan - volgens onderzoekers in de VS. Het team van de Nationaal laboratorium voor energietechnologie (NETL) en de Universiteit van Kentucky gebruikten een supercomputer om de kwantumberekeningen te simuleren. Hieruit bleek dat de berekening veel sneller kan worden gedaan op kwantumcomputers van de toekomst.

Toenemende niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer stimuleren de opwarming van de aarde, dus wetenschappers willen graag nieuwe manieren ontwikkelen om het gas te absorberen en op te slaan. Een manier om dit te doen is door chemische reacties te gebruiken die koolstofdioxide verbruiken, waardoor stoffen ontstaan ​​die veilig kunnen worden opgeslagen. Bestaande koolstofafvangreacties zijn echter vaak energie-intensief en duur. Als gevolg hiervan zijn onderzoekers op zoek naar nieuwe koolstofafvangreacties en ook naar manieren om de reactie-efficiëntie te voorspellen bij realistische temperaturen en drukken.

Het ontwerpen van optimale reactiepaden vereist een gedetailleerd begrip van de microscopische kwantumeigenschappen van de betrokken moleculen. Dit is een uitdaging omdat nauwkeurige berekeningen van de kwantumaard van chemische reacties notoir moeilijk zijn op conventionele computers. De vereiste rekenkracht neemt exponentieel toe met het aantal betrokken atomen, waardoor het simuleren van zelfs eenvoudige reacties erg moeilijk wordt. Gelukkig gebeurt deze exponentiële schaalvergroting niet als de berekeningen op kwantumcomputers worden gedaan.

Klein en luidruchtig

Kwantumcomputers bevinden zich nog in de beginfase van ontwikkeling en de grootste machines zijn beperkt tot a enkele honderden kwantumbits (qubits). Ze worden ook geplaagd door ruis, wat kwantumberekeningen belemmert. Of deze luidruchtige quantumcomputers op gemiddelde schaal (NISQ's) bruikbare berekeningen kunnen maken, is daarom nog steeds een onderwerp van veel discussie. Een veelbelovende weg is het combineren van kwantum- en klassieke computers om de effecten van ruis in kwantumalgoritmen te verminderen. Deze benadering omvat de variatie kwantum eigensolver (VQE), die werd gebruikt door de onderzoekers van NETL/Kentucky.

In een VQE genereert een klassieke computer een gok voor de kwantumconfiguratie van de reagerende moleculen. Vervolgens berekent de kwantumcomputer de energie van die configuratie. Het klassieke algoritme past die gok iteratief aan totdat de configuratie met de laagste energie is gevonden. Zo wordt de stabiele toestand met de laagste energie berekend.

In de afgelopen jaren heeft kwantumcomputinghardware met VQE-algoritmen met succes de bindingsenergie van bepaald ketens van waterstofatomen en de energie van a water molecuul. Geen van beide berekeningen leverde echter een kwantumvoordeel op - wat optreedt wanneer een kwantumcomputer een berekening uitvoert die een klassieke computer niet in een realistische hoeveelheid tijd kan doen.

Gesimuleerde kwantumberekening

Nu heeft het team van NETL/Kentucky onderzocht hoe VQE-algoritmen kunnen worden gebruikt om te berekenen hoe een koolstofdioxidemolecuul reageert met een ammoniakmolecuul. Hierbij werd een klassieke supercomputer gebruikt om de kwantumberekening te simuleren, inclusief de verwachte geluidsniveaus in een NISQ.

Eerdere studies hebben gekeken naar hoe ammoniak kan worden gebruikt voor koolstofafvang, maar het is onwaarschijnlijk dat deze processen op grote schaal kunnen worden gebruikt. Aminen – complexe moleculen die op ammoniak lijken – hebben echter potentieel voor grootschalig gebruik. Als gevolg hiervan is het bestuderen van hoe koolstofdioxide en ammoniak reageren een belangrijke eerste stap in de richting van het gebruik van VQE's om reacties met complexere amines te bestuderen.

"We moeten een representatieve reactie kiezen om de modellering te doen", zegt Yueh-Lin Lee, die een teamlid is bij NETL. Lee wijst erop dat hun vereenvoudigde reactie hen in staat stelt om te testen hoe de huidige kwantumcomputing-algoritmen en -apparaten het doen met toenemende moleculaire grootte: van koolstofdioxide tot ammoniak tot de NH₂COOH-molecuul dat de reactie produceert.

Terwijl het team in staat was om de chemische route te berekenen van koolstofdioxide die reageert met ammoniak met hun gesimuleerde kwantumalgoritme, waardoor de trillingsenergieniveaus van NH werden verkregen₂COOH bleek moeilijk. Hun supercomputer kreeg na drie dagen rekenen antwoord, waaruit het team concludeerde dat een kwantumcomputer met voldoende ruis de berekening veel sneller zou moeten kunnen doen. Bovendien ontdekten ze dat als het productmolecuul nog groter was, een klassieke supercomputercomputer het probleem niet zou kunnen oplossen.

Levensechte omstandigheden

De onderzoekers wijzen erop dat het berekenen van nauwkeurige trillingsenergieniveaus cruciaal is om te begrijpen hoe de reactie zou verlopen in reële omstandigheden, bij temperaturen die niet nul zijn.

"Als je de reactie in realistische omstandigheden wilt bekijken, heb je niet alleen de totale energie nodig, maar ook de trillingseigenschappen", zegt teamlid Dominic Alfonso van NETL. “Een klassieke simulatie kan de trillingseigenschappen niet berekenen, terwijl wij laten zien dat een kwantumalgoritme dat wel kan. Dus zelfs in dit stadium kunnen we een kwantumvoordeel zien.”

Wat is er gebeurd met koolstofafvang?

Bestaande kwantumcomputers hebben genoeg qubits om de klassiek onbereikbare simulatie van trillingsniveaus uit te voeren. Wat nog te bezien valt, is of dergelijke kwantumcomputers weinig ruis hebben om de berekeningen uit te voeren - hoewel ruissimulaties succes voorspellen.

Maar Kanav Setia, die CEO is van de in de VS gevestigde leverancier van kwantumcomputersoftware qVlecht en een VQE-expert, betwijfelden of het NETL/Kentucky-model het werkelijke geluidsniveau van bestaande kwantumcomputers weergeeft. Setia, die niet betrokken is bij het onderzoek, zegt: "Gezien de recente vooruitgang in veel andere architecturen, is het mogelijk om dit onderzoek in de komende jaren uit te voeren op kwantumcomputers."

Het team werkt nu samen met IBM quantum om hun ideeën op een bestaande quantumcomputer te implementeren en hoopt dat ze een quantumvoordeel kunnen aantonen. Ze rapporteren hun bevindingen in AVS Kwantumwetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/