Tehnologia de captare a carbonului ar putea beneficia de calculul cuantic

Calculatoarele cuantice ar putea fi folosite pentru a studia reacțiile chimice legate de captarea carbonului, făcând calcule care depășesc capacitatea chiar și ale celor mai puternice computere clasice – potrivit cercetătorilor din SUA. Echipa de la Laboratorul Naţional de Tehnologie Energetică (NETL) și Universitatea din Kentucky au folosit un supercomputer pentru a simula calculele cuantice. Acest lucru a arătat că calculul ar putea fi făcut mult mai rapid pe computerele cuantice ale viitorului.

Nivelurile tot mai mari de dioxid de carbon din atmosferă determină încălzirea globală, așa că oamenii de știință sunt dornici să dezvolte noi modalități de absorbție și stocare a gazului. O modalitate de a face acest lucru este utilizarea reacțiilor chimice care consumă dioxid de carbon, creând substanțe care pot fi stocate în siguranță. Cu toate acestea, reacțiile existente de captare a carbonului tind să fie consumatoare de energie și costisitoare. Drept urmare, cercetătorii caută noi reacții de captare a carbonului și, de asemenea, modalități de a prezice eficiența reacțiilor la temperaturi și presiuni realiste.

Proiectarea căilor de reacție optime necesită o înțelegere detaliată a proprietăților cuantice microscopice ale moleculelor implicate. Aceasta este o provocare, deoarece calculele precise ale naturii cuantice a reacțiilor chimice sunt notoriu dificil de făcut pe computerele convenționale. Resursele de calcul necesare cresc exponențial odată cu numărul de atomi implicați, ceea ce face foarte dificilă simularea chiar și a reacțiilor simple. Din fericire, această scalare exponențială nu are loc dacă calculele sunt făcute pe calculatoare cuantice.

Mic și zgomotos

Calculatoarele cuantice sunt încă în stadiile incipiente de dezvoltare și cele mai mari mașini sunt limitate la a câteva sute de biți cuantici (qubiți). De asemenea, sunt afectați de zgomot, care inhibă calculele cuantice. Dacă aceste calculatoare cuantice zgomotoase la scară intermediară (NISQ) pot face calcule utile este, prin urmare, încă un subiect de multe dezbateri. O cale promițătoare este combinarea computerelor cuantice și clasice pentru a atenua efectele zgomotului în algoritmii cuantici. Această abordare include soluția proprie cuantică variațională (VQE), care a fost folosită de cercetătorii NETL/Kentucky.

Într-un VQE, un computer clasic generează o estimare pentru configurația cuantică a moleculelor care reacţionează. Apoi, computerul cuantic calculează energia acelei configurații. Algoritmul clasic ajustează în mod iterativ această estimare până când este găsită configurația cu cea mai scăzută energie. Astfel, se calculează starea cea mai scăzută de energie stabilă.

În ultimii ani, hardware-ul de calcul cuantic care rulează algoritmi VQE a determinat cu succes energia de legare a lanțuri de atomi de hidrogen și energia lui a molecula de apa. Cu toate acestea, niciunul dintre calcule nu a obținut un avantaj cuantic - ceea ce are loc atunci când un computer cuantic efectuează un calcul pe care un computer clasic nu îl poate face într-un interval de timp realist.

Calcul cuantic simulat

Acum, echipa NETL/Kentucky a explorat modul în care algoritmii VQE ar putea fi utilizați pentru a calcula modul în care o moleculă de dioxid de carbon reacționează cu o moleculă de amoniac. Aceasta a implicat utilizarea unui supercomputer clasic pentru a simula calculul cuantic, inclusiv nivelurile de zgomot așteptate într-un NISQ.

Studiile anterioare au analizat modul în care amoniacul ar putea fi utilizat pentru captarea carbonului, dar este puțin probabil ca aceste procese să poată fi utilizate pe scară largă. Cu toate acestea, aminele – molecule complexe care seamănă cu amoniacul – prezintă potențial de utilizare pe scară largă. Ca rezultat, studierea modului în care dioxidul de carbon și amoniacul reacționează este un prim pas important către utilizarea VQE-urilor pentru a studia reacțiile care implică amine mai complexe.

„Trebuie să alegem o reacție reprezentativă pentru a face modelarea”, spune Yueh-Lin Lee, care este membru al echipei la NETL. Lee subliniază că reacția lor simplificată le permite să testeze modul în care algoritmii și dispozitivele actuale de calcul cuantic se descurcă cu creșterea dimensiunii moleculare: de la dioxid de carbon la amoniac la NH.₂Moleculă de COOH pe care o produce reacția.

În timp ce echipa a reușit să calculeze calea chimică a dioxidului de carbon care reacționează cu amoniacul cu algoritmul lor cuantic simulat, obținând nivelurile de energie vibrațională ale NH₂COOH sa dovedit dificil. Supercomputerul lor a obținut un răspuns după trei zile de calcule, permițând echipei să concluzioneze că un computer cuantic cu zgomot suficient de scăzut ar trebui să poată face calculul mult mai rapid. Mai mult, ei au descoperit că, dacă molecula produsului ar fi mai mare, un computer clasic de supercomputer nu ar fi capabil să rezolve problema.

Condiții de viață reală

Cercetătorii subliniază că calcularea nivelurilor precise de energie vibrațională este crucială pentru înțelegerea modului în care s-ar descurca reacția în condiții reale, la temperaturi diferite de zero.

„Dacă doriți să priviți reacția în condiții realiste, nu aveți nevoie doar de energia totală, ci și de proprietățile vibraționale”, spune membrul echipei Dominic Alfonso de la NETL. „O simulare clasică nu este capabilă să calculeze proprietățile vibraționale, în timp ce arătăm că un algoritm cuantic poate face asta. Deci, chiar și în această etapă, putem vedea un avantaj cuantic.”

Ce s-a întâmplat cu captarea carbonului?

Calculatoarele cuantice existente au suficienți qubiți pentru a efectua simularea clasică a nivelurilor vibraționale, fără atingere. Ceea ce rămâne de văzut este dacă astfel de computere cuantice au un zgomot suficient de scăzut pentru a face calculele – deși simulările de zgomot prevăd succesul.

Cu toate acestea, Kanav Setia, care este directorul executiv al furnizorului de software de calcul cuantic din SUA qÎmpletitură și un expert VQE, și-a exprimat îndoiala că modelul NETL/Kentucky surprinde adevăratul nivel de zgomot al computerelor cuantice existente. Setia, care nu s-a implicat în cercetare, spune: „Având în vedere progresele recente în multe alte arhitecturi, realizarea acestui studiu pe computere cuantice ar putea fi posibilă în următorii ani”.

Echipa colaborează acum cu IBM quantum pentru a-și implementa ideile pe un computer cuantic existent și speră că ar putea demonstra un avantaj cuantic. Ei își raportează constatările în AVS Știința Cuantică.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/