A tecnologia de captura de carbono pode se beneficiar da computação quântica

Computadores quânticos podem ser usados ​​para estudar reações químicas relacionadas à captura de carbono, fazendo cálculos que estão além da capacidade até mesmo dos computadores clássicos mais poderosos – de acordo com pesquisadores nos EUA. A equipe no Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia (NETL) e a Universidade de Kentucky usaram um supercomputador para simular os cálculos quânticos. Isso revelou que a computação poderia ser feita muito mais rapidamente em computadores quânticos do futuro.

Os níveis crescentes de dióxido de carbono na atmosfera estão impulsionando o aquecimento global, então os cientistas estão ansiosos para desenvolver novas maneiras de absorver o gás e armazená-lo. Uma maneira de fazer isso é usar reações químicas que consomem dióxido de carbono, criando substâncias que podem ser armazenadas com segurança. No entanto, as reações existentes de captura de carbono tendem a ser intensivas em energia e caras. Como resultado, os pesquisadores estão à procura de novas reações de captura de carbono e também de maneiras de prever a eficiência das reações em temperaturas e pressões realistas.

Projetar caminhos de reação ideais requer uma compreensão detalhada das propriedades quânticas microscópicas das moléculas envolvidas. Isso é um desafio porque cálculos precisos da natureza quântica das reações químicas são notoriamente difíceis de fazer em computadores convencionais. Os recursos computacionais necessários aumentam exponencialmente com o número de átomos envolvidos, tornando muito difícil simular até mesmo reações simples. Felizmente, essa escala exponencial não ocorre se os cálculos forem feitos em computadores quânticos.

Pequeno e barulhento

Os computadores quânticos ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento e as máquinas maiores estão limitadas a um algumas centenas de bits quânticos (qubits). Eles também são afetados pelo ruído, o que inibe os cálculos quânticos. Se esses ruidosos computadores quânticos de escala intermediária (NISQs) podem fazer cálculos úteis ainda é, portanto, um assunto de muito debate. Um caminho promissor é combinar computadores quânticos e clássicos para mitigar os efeitos do ruído em algoritmos quânticos. Essa abordagem inclui o autosolver quântico variacional (VQE), que foi usado pelos pesquisadores do NETL/Kentucky.

Em um VQE, um computador clássico gera um palpite para a configuração quântica das moléculas reagentes. Então, o computador quântico calcula a energia dessa configuração. O algoritmo clássico ajusta iterativamente esse palpite até que a configuração de energia mais baixa seja encontrada. Assim, o estado de menor energia estável é calculado.

Nos últimos anos, o hardware de computação quântica executando algoritmos VQE determinou com sucesso a energia de ligação de cadeias de átomos de hidrogênio e a energia de um molécula de água. No entanto, nenhum dos cálculos alcançou vantagem quântica – que ocorre quando um computador quântico faz um cálculo que um computador clássico não pode fazer em um período de tempo realista.

Cálculo quântico simulado

Agora, a equipe NETL/Kentucky explorou como os algoritmos VQE poderiam ser usados ​​para calcular como uma molécula de dióxido de carbono reage com uma molécula de amônia. Isso envolveu o uso de um supercomputador clássico para simular o cálculo quântico, incluindo os níveis de ruído esperados em um NISQ.

Estudos anteriores analisaram como a amônia poderia ser usada para captura de carbono, mas é improvável que esses processos possam ser usados ​​em larga escala. No entanto, as aminas – moléculas complexas que se assemelham à amônia – apresentam potencial para uso em larga escala. Como resultado, estudar como o dióxido de carbono e a amônia reagem é um primeiro passo importante para usar VQEs para estudar reações envolvendo aminas mais complexas.

“Temos que escolher uma reação representativa para fazer a modelagem”, diz Yueh Lin Lee, que é membro da equipe do NETL. Lee aponta que sua reação simplificada permite que eles testem como os algoritmos e dispositivos de computação quântica atuais se comportam com o aumento do tamanho molecular: do dióxido de carbono à amônia e ao NH₂Molécula de COOH que a reação produz.

Enquanto a equipe foi capaz de calcular o caminho químico do dióxido de carbono reagindo com amônia com seu algoritmo quântico simulado, obtendo os níveis de energia vibracional de NH₂COOH provou ser difícil. Seu supercomputador obteve uma resposta após três dias de cálculos, permitindo que a equipe concluísse que um computador quântico com ruído suficientemente baixo deveria ser capaz de fazer o cálculo muito mais rápido. Além disso, eles descobriram que, se a molécula do produto fosse maior, um supercomputador clássico não seria capaz de resolver o problema.

Condições da vida real

Os pesquisadores apontam que o cálculo preciso dos níveis de energia vibracional é crucial para entender como a reação se sairia em condições da vida real, em temperaturas diferentes de zero.

“Se você deseja observar a reação em condições realistas, não precisa apenas da energia total, mas também das propriedades vibracionais”, diz o membro da equipe Dominic Alfonso da NETL. “Uma simulação clássica não é capaz de calcular as propriedades vibracionais, enquanto mostramos que um algoritmo quântico pode fazer isso. Portanto, mesmo nesta fase, podemos ver uma vantagem quântica”.

O que aconteceu com a captura de carbono?

Os computadores quânticos existentes têm qubits suficientes para realizar a simulação clássica fora de alcance dos níveis vibracionais. O que resta saber é se esses computadores quânticos têm ruído baixo o suficiente para fazer os cálculos – embora as simulações de ruído prevejam o sucesso.

No entanto, Kanav Setia, que é diretor executivo do provedor de software de computação quântica com sede nos EUA qTrança e um especialista em VQE, expressou dúvidas de que o modelo NETL/Kentucky capture o verdadeiro nível de ruído dos computadores quânticos existentes. Setia, que não participou da pesquisa, diz: “Dado o progresso recente em muitas outras arquiteturas, a realização deste estudo em computadores quânticos pode ser possível nos próximos anos”.

A equipe agora está colaborando com a IBM quantum para implementar suas ideias em um computador quântico existente e espera poder demonstrar uma vantagem quântica. Eles relatam suas descobertas em Ciência Quântica AVS.

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