UK Onderzoekers: Quantum kan katalysatoren in chemische processen simuleren en milieueffecten verminderen

Onderzoekers van het kwantumengineeringbedrijf Riverlane en het duurzame technologiebedrijf Johnson Matthey hebben aangekondigd dat ze kwantumalgoritmen hebben ontwikkeld om de katalysatoren te simuleren die worden gebruikt in industriële chemische processen. De bedrijven zeggen dat hun werk de milieu-impact van alles kan verminderen, van brandstofcellen tot petrochemie en waterstofproductie.

Het onderzoek was gepubliceerd in Physical Review Research vorige week en laat zien hoe een foutgecorrigeerde kwantumcomputer nikkeloxide en palladiumoxide kan simuleren. Volgens de bedrijven zijn dit belangrijke materialen in heterogene katalyse, een proces dat wordt gebruikt om een ​​breed scala aan chemicaliën en brandstoffen te creëren.

"Ons algoritme maakt de kwantumsimulatie mogelijk van grote solid-state systemen met looptijden die vaak worden geassocieerd met veel kleinere moleculaire systemen. Dit werk maakt de weg vrij voor toekomstige praktische simulaties van materialen op foutgecorrigeerde kwantumcomputers, "zei Dr. Aleksei Ivanov, een kwantumwetenschapper bij Rivierenweg en de hoofdauteur van het artikel.

Veel materialen zijn moeilijk te simuleren op gewone computers vanwege hun complexe, kwantumkarakter. Dit is waar kwantumcomputers kunnen helpen, maar tot nu toe heeft het meeste onderzoek zich gericht op de simulatie van moleculen, niet van materialen. Dit komt omdat materialen extra structuur hebben, zoals translatiesymmetrie of periodiciteit.

"Veelgebruikte klassieke rekenmethoden berusten vaak op benaderingen die voor bepaalde materialen, waaronder sterk gecorreleerde metaaloxiden, misschien niet goed gerechtvaardigd zijn, wat leidt tot onbevredigende prestaties", aldus Dr. Tom Ellaby, een R&D-wetenschapper bij Johnson Matthew.

Dr. Rachel Kerber, senior wetenschapper bij Johnson Matthey, zei: "Kwantumsimulaties kunnen ons een middel bieden om veel van deze materialen te modelleren, die vaak van groot belang zijn voor onderzoekers in katalyse en materiaalkunde in het algemeen."

De onderzoekers maakten gebruik van concepten die waren ontwikkeld in klassiek computationeel onderzoek naar gecondenseerde materie om het nieuwe kwantumalgoritme te ontwikkelen.

“In dit werk stelden we onszelf een vraag: hoe kunnen we een bestaand moleculair algoritme aanpassen om te profiteren van de structuur van het materiaal? We hebben ontdekt hoe we dit moeten doen en als gevolg daarvan verminderen onze aanpassingen aan het bestaande kwantumalgoritme de vereisten voor kwantumbronnen. Dus toekomstige kwantumcomputers hebben veel minder qubits en een kleinere circuitdiepte nodig, vergeleken met eerdere kwantumalgoritmen zonder enige aanpassing”, zegt Dr. Christoph Sunderhauf, senior kwantumwetenschapper bij Riverlane en co-auteur van het artikel. "Het belangrijkste voorbehoud hier is dat we zullen moeten wachten tot iemand daadwerkelijk een voldoende grote foutgecorrigeerde kwantumcomputer bouwt."

De huidige kwantumcomputers hebben hooguit een paar honderd kwantumbits (qubits), wat de bruikbaarheid van deze machines beperkt. Maar kwantumcomputers moeten met ordes van grootte opschalen om foutcorrectie te bereiken en applicaties in meerdere industrieën te ontgrendelen.

Om sneller tot foutcorrectie te komen, bouwt Riverlane een besturingssysteem voor kwantumcomputers met foutcorrectie, inclusief een besturingssysteem (om de miljoenen vereiste qubits te besturen en te kalibreren) en snelle decoders (om te voorkomen dat fouten zich verspreiden en berekeningen onbruikbaar maken). Wanneer deze foutgecorrigeerde kwantumcomputers klaar zijn, hebben we ook fouttolerante kwantumalgoritmen nodig om op deze machines te kunnen draaien.

"We moeten ernaar streven om bruikbare toepassingsgevallen van kwantumcomputers te ontsluiten", zei Ivanov. "Als we kwantumalgoritmen verder blijven verbeteren, hoeven we niet zo'n enorme kwantumcomputer te bouwen voor nuttige toepassingen."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://insidehpc.com/2023/03/uk-researchers-quantum-can-simulate-catalysts-in-chemical-processes-cut-environmental-impacts/