Pesquisadores do Reino Unido: Quantum pode simular catalisadores em processos químicos e reduzir impactos ambientais

Pesquisadores da empresa de engenharia quântica Riverlane e da empresa de tecnologia sustentável Johnson Matthey anunciaram que desenvolveram algoritmos quânticos para simular os catalisadores usados ​​em processos químicos industriais. As empresas dizem que seu trabalho pode reduzir o impacto ambiental de tudo, desde células de combustível até produtos petroquímicos e produção de hidrogênio.

A pesquisa foi publicado na Physical Review Research na semana passada e demonstra como um computador quântico corrigido por erros pode simular óxido de níquel e óxido de paládio. Esses são materiais importantes na catálise heterogênea, processo usado para criar uma ampla gama de produtos químicos e combustíveis, segundo as empresas.

“Nosso algoritmo permite a simulação quântica de grandes sistemas de estado sólido com tempos de execução frequentemente associados a sistemas moleculares muito menores. Este trabalho abre caminho para futuras simulações práticas de materiais em computadores quânticos corrigidos por erros”, disse o Dr. Aleksei Ivanov, cientista quântico da Via Fluvial e o principal autor do artigo.

Muitos materiais são difíceis de simular em computadores comuns devido à sua natureza quântica complexa. É aqui que os computadores quânticos podem ajudar, mas até agora, a maior parte da pesquisa se concentrou na simulação de moléculas, não de materiais. Isso ocorre porque os materiais têm estrutura adicional, como simetria translacional ou periodicidade.

“Os métodos computacionais clássicos comumente usados ​​geralmente dependem de aproximações que podem não ser bem justificadas para certos materiais, incluindo óxidos metálicos fortemente correlacionados, levando a um desempenho insatisfatório”, de acordo com o Dr. Tom Ellaby, cientista de P&D da Johnson Mathey.

A Dra. Rachel Kerber, cientista sênior da Johnson Matthey, disse: “As simulações quânticas podem fornecer um meio para modelarmos muitos desses materiais, que geralmente são de grande interesse para pesquisadores em catálise e ciência de materiais em geral”.

Os pesquisadores aproveitaram os conceitos desenvolvidos na pesquisa computacional clássica de matéria condensada para desenvolver o novo algoritmo quântico.

“Neste trabalho, nos perguntamos: como podemos modificar um algoritmo molecular existente para aproveitar a estrutura do material? Descobrimos como fazer isso e, como resultado, nossas modificações no algoritmo quântico existente reduzem os requisitos de recursos quânticos. Portanto, os futuros computadores quânticos exigem muito menos qubits e uma profundidade de circuito reduzida, em comparação com os algoritmos quânticos anteriores sem qualquer modificação”, disse o Dr. Christoph Sunderhauf, cientista quântico sênior da Riverlane e coautor do artigo. “A principal ressalva aqui é que teremos que esperar até que alguém realmente construa um computador quântico corrigido de erros suficientemente grande”.

Os computadores quânticos de hoje têm algumas centenas de bits quânticos (qubits), no máximo, limitando a utilidade dessas máquinas. Mas os computadores quânticos devem aumentar em ordens de magnitude para alcançar a correção de erros e desbloquear aplicativos em vários setores.

Para alcançar a correção de erros mais cedo, Riverlane está construindo um sistema operacional para computadores quânticos corrigidos por erros, que inclui um sistema de controle (para controlar e calibrar os milhões de qubits necessários) e decodificadores rápidos (para interromper a propagação de erros e tornar os cálculos inúteis). Quando esses computadores quânticos corrigidos por erros estiverem prontos, também precisamos que algoritmos quânticos tolerantes a falhas estejam prontos para serem executados nessas máquinas.

“Precisamos nos esforçar para desbloquear casos de aplicação úteis de computadores quânticos”, disse Ivanov. “Se continuarmos a melhorar ainda mais os algoritmos quânticos, não precisaremos construir um computador quântico tão grande para aplicações úteis.”

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• Fonte: https://insidehpc.com/2023/03/uk-researchers-quantum-can-simulate-catalysts-in-chemical-processes-cut-environmental-impacts/