Technologia wychwytywania dwutlenku węgla mogłaby odnieść korzyści z obliczeń kwantowych

Komputery kwantowe można by wykorzystać do badania reakcji chemicznych związanych z wychwytywaniem dwutlenku węgla, wykonując obliczenia, które przekraczają możliwości nawet najpotężniejszych klasycznych komputerów - twierdzą naukowcy z USA. Zespół przy Narodowe Laboratorium Technologii Energetycznych (NETL) i University of Kentucky użyli superkomputera do symulacji obliczeń kwantowych. To ujawniło, że obliczenia mogą być wykonywane znacznie szybciej na komputerach kwantowych przyszłości.

Rosnące poziomy dwutlenku węgla w atmosferze napędzają globalne ocieplenie, dlatego naukowcy chcą opracować nowe sposoby pochłaniania i magazynowania tego gazu. Jednym ze sposobów na to jest wykorzystanie reakcji chemicznych, które zużywają dwutlenek węgla, tworząc substancje, które można bezpiecznie przechowywać. Istniejące reakcje wychwytywania węgla są jednak zazwyczaj energochłonne i kosztowne. W rezultacie naukowcy poszukują nowych reakcji wychwytywania węgla, a także sposobów przewidywania wydajności reakcji w realistycznych temperaturach i ciśnieniach.

Projektowanie optymalnych ścieżek reakcji wymaga szczegółowego zrozumienia mikroskopowych właściwości kwantowych zaangażowanych cząsteczek. Jest to wyzwanie, ponieważ precyzyjne obliczenia kwantowej natury reakcji chemicznych są niezwykle trudne do wykonania na konwencjonalnych komputerach. Wymagane zasoby obliczeniowe rosną wykładniczo wraz z liczbą zaangażowanych atomów, co bardzo utrudnia symulowanie nawet prostych reakcji. Na szczęście to wykładnicze skalowanie nie występuje, jeśli obliczenia są wykonywane na komputerach kwantowych.

Mały i głośny

Komputery kwantowe są wciąż na wczesnym etapie rozwoju, a największe maszyny są ograniczone do kilkaset bitów kwantowych (kubitów). Są też nękane przez hałas, który utrudnia obliczenia kwantowe. To, czy te hałaśliwe komputery kwantowe średniej skali (NISQ) mogą wykonywać przydatne obliczenia, jest zatem nadal przedmiotem wielu dyskusji. Jedną z obiecujących możliwości jest połączenie komputerów kwantowych i klasycznych w celu złagodzenia skutków szumu w algorytmach kwantowych. Podejście to obejmuje wariacyjny kwantowy solver własny (VQE), którego użyli badacze z NETL/Kentucky.

W VQE klasyczny komputer generuje zgadywanie konfiguracji kwantowej reagujących cząsteczek. Następnie komputer kwantowy oblicza energię tej konfiguracji. Klasyczny algorytm iteracyjnie dostosowuje to przypuszczenie, aż zostanie znaleziona konfiguracja o najniższej energii. W ten sposób obliczany jest stabilny stan o najniższej energii.

W ostatnich latach kwantowy sprzęt komputerowy obsługujący algorytmy VQE z powodzeniem określił energię wiązania łańcuchy atomów wodoru i energia A cząsteczka wody. Jednak żadne obliczenie nie osiągnęło przewagi kwantowej – co ma miejsce, gdy komputer kwantowy wykonuje obliczenia, których klasyczny komputer nie jest w stanie wykonać w realistycznym czasie.

Symulowane obliczenia kwantowe

Teraz zespół NETL/Kentucky zbadał, w jaki sposób można wykorzystać algorytmy VQE do obliczenia, w jaki sposób cząsteczka dwutlenku węgla reaguje z cząsteczką amoniaku. Wymagało to użycia klasycznego superkomputera do symulacji obliczeń kwantowych, w tym poziomów szumów spodziewanych w NISQ.

Wcześniejsze badania dotyczyły sposobów wykorzystania amoniaku do wychwytywania dwutlenku węgla, ale jest mało prawdopodobne, aby procesy te mogły być stosowane na dużą skalę. Jednak aminy – złożone cząsteczki przypominające amoniak – wykazują potencjał do zastosowania na dużą skalę. W rezultacie badanie reakcji dwutlenku węgla i amoniaku jest ważnym pierwszym krokiem w kierunku wykorzystania VQE do badania reakcji z udziałem bardziej złożonych amin.

„Musimy wybrać reprezentatywną reakcję, aby przeprowadzić modelowanie” – mówi Yueh Lin Lee, który jest członkiem zespołu w NETL. Lee zwraca uwagę, że ich uproszczona reakcja pozwala im przetestować, jak obecne algorytmy i urządzenia obliczeń kwantowych radzą sobie ze wzrostem wielkości cząsteczek: od dwutlenku węgla do amoniaku do NH₂Cząsteczka COOH powstająca w wyniku reakcji.

Podczas gdy zespół był w stanie obliczyć ścieżkę chemiczną reakcji dwutlenku węgla z amoniakiem za pomocą symulowanego algorytmu kwantowego, uzyskując poziomy energii wibracyjnej NH₂COOH okazał się trudny. Ich superkomputer uzyskał odpowiedź po trzech dniach obliczeń, co pozwoliło zespołowi stwierdzić, że komputer kwantowy o odpowiednio niskim poziomie szumów powinien być w stanie wykonać obliczenia znacznie szybciej. Ponadto odkryli, że gdyby cząsteczka produktu była większa, klasyczny superkomputer nie byłby w stanie rozwiązać problemu.

Warunki z życia wzięte

Naukowcy zwracają uwagę, że obliczenie dokładnych poziomów energii wibracyjnej ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jak przebiegałaby reakcja w rzeczywistych warunkach, w niezerowych temperaturach.

„Jeśli chcesz przyjrzeć się reakcji w realistycznych warunkach, potrzebujesz nie tylko całkowitej energii, ale także właściwości wibracyjnych”, mówi członek zespołu Dominic Alfonso z NETL. „Klasyczna symulacja nie jest w stanie obliczyć właściwości wibracyjnych, podczas gdy my pokazujemy, że algorytm kwantowy może to zrobić. Więc nawet na tym etapie możemy dostrzec przewagę kwantową”.

Co się stało z wychwytywaniem dwutlenku węgla?

Istniejące komputery kwantowe mają wystarczającą liczbę kubitów, aby przeprowadzić klasycznie nieosiągalną symulację poziomów wibracyjnych. Okaże się, czy takie komputery kwantowe mają wystarczająco niski poziom szumów, aby wykonać obliczenia – chociaż symulacje szumów przewidują sukces.

Jednak Kanav Setia, który jest dyrektorem generalnym dostawcy oprogramowania do obliczeń kwantowych z siedzibą w USA qWarkocz i ekspert VQE, wyraził wątpliwość, czy model NETL/Kentucky oddaje prawdziwy poziom szumów istniejących komputerów kwantowych. Setia, który nie był zaangażowany w badania, mówi: „Biorąc pod uwagę niedawny postęp w wielu innych architekturach, przeprowadzenie tego badania na komputerach kwantowych może być możliwe w nadchodzących latach”.

Zespół współpracuje teraz z IBM Quantum w celu wdrożenia swoich pomysłów na istniejącym komputerze kwantowym i ma nadzieję, że uda im się wykazać przewagę kwantową. O swoich ustaleniach informują m.in Nauka kwantowa AVS.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/