Технология улавливания углерода может выиграть от квантовых вычислений

Квантовые компьютеры можно использовать для изучения химических реакций, связанных с захватом углерода, путем выполнения вычислений, которые выходят за рамки возможностей даже самых мощных классических компьютеров, считают исследователи из США. Команда на Национальная лаборатория энергетических технологий (NETL) и Университет Кентукки использовали суперкомпьютер для моделирования квантовых вычислений. Это показало, что вычисления можно будет выполнять намного быстрее на квантовых компьютерах будущего.

Повышение уровня углекислого газа в атмосфере вызывает глобальное потепление, поэтому ученые стремятся разработать новые способы поглощения газа и его хранения. Один из способов сделать это — использовать химические реакции, которые потребляют углекислый газ, создавая вещества, которые можно безопасно хранить. Однако существующие реакции улавливания углерода, как правило, являются энергоемкими и дорогостоящими. В результате исследователи ищут новые реакции захвата углерода, а также способы прогнозирования эффективности реакций при реальных температурах и давлениях.

Разработка оптимальных путей реакции требует детального понимания микроскопических квантовых свойств вовлеченных молекул. Это сложная задача, потому что точные расчеты квантовой природы химических реакций, как известно, сложно выполнить на обычных компьютерах. Требуемые вычислительные ресурсы увеличиваются экспоненциально с увеличением числа задействованных атомов, что делает моделирование даже простых реакций очень сложным. К счастью, такого экспоненциального масштабирования не происходит, если вычисления выполняются на квантовых компьютерах.

Маленький и шумный

Квантовые компьютеры все еще находятся на ранних стадиях разработки, и самые большие машины ограничены несколько сотен квантовых битов (кубитов). Они также страдают от шума, который препятствует квантовым вычислениям. Таким образом, вопрос о том, могут ли эти шумные квантовые компьютеры среднего масштаба (NISQ) выполнять полезные вычисления, до сих пор является предметом многочисленных споров. Одним из многообещающих направлений является объединение квантовых и классических компьютеров для смягчения последствий шума в квантовых алгоритмах. Этот подход включает вариационный квантовый собственный решатель (VQE), который использовался исследователями NETL/Кентукки.

В ВКЭ классический компьютер делает предположение о квантовой конфигурации реагирующих молекул. Затем квантовый компьютер вычисляет энергию этой конфигурации. Классический алгоритм итеративно корректирует это предположение, пока не будет найдена конфигурация с наименьшей энергией. Таким образом, вычисляется стабильное состояние с наименьшей энергией.

В последние годы аппаратное обеспечение квантовых вычислений, использующее алгоритмы VQE, успешно определило энергию связи цепочки атомов водорода и энергия молекула воды. Однако ни одно из вычислений не достигло квантового преимущества, которое возникает, когда квантовый компьютер выполняет вычисления, которые классический компьютер не может выполнить за реалистичное время.

Симулированный квантовый расчет

Теперь команда NETL/Кентукки исследовала, как можно использовать алгоритмы VQE для расчета реакции молекулы углекислого газа с молекулой аммиака. Это включало использование классического суперкомпьютера для моделирования квантовых вычислений, включая уровни шума, ожидаемые в NISQ.

В прошлых исследованиях изучалось, как можно использовать аммиак для улавливания углерода, но маловероятно, что эти процессы можно будет использовать в больших масштабах. Однако амины — сложные молекулы, напоминающие аммиак, — демонстрируют потенциал для крупномасштабного использования. В результате изучение того, как реагируют диоксид углерода и аммиак, является важным первым шагом к использованию VQE для изучения реакций с участием более сложных аминов.

«Мы должны выбрать репрезентативную реакцию для моделирования», — говорит Юэ-Лин Ли, который является членом команды NETL. Ли отмечает, что их упрощенная реакция позволяет им проверить, как современные алгоритмы и устройства квантовых вычислений работают с увеличением размера молекулы: от углекислого газа до аммиака и NH.₂Молекула COOH, образующаяся в результате реакции.

В то время как команда смогла рассчитать химический путь реакции углекислого газа с аммиаком с помощью смоделированного квантового алгоритма, получив уровни колебательной энергии NH₂COOH оказался трудным. Их суперкомпьютер получил ответ после трех дней вычислений, что позволило команде сделать вывод, что квантовый компьютер с достаточно низким уровнем шума должен выполнять вычисления намного быстрее. Более того, они обнаружили, что если бы молекула продукта была больше, то классический суперкомпьютер не смог бы решить эту проблему.

Реальные условия

Исследователи отмечают, что расчет точных уровней энергии колебаний имеет решающее значение для понимания того, как реакция будет происходить в реальных условиях при ненулевых температурах.

«Если вы хотите посмотреть на реакцию в реальных условиях, вам нужна не только общая энергия, но и вибрационные свойства», — говорит член группы Доминик Альфонсо из NETL. «Классическое моделирование не может рассчитать колебательные свойства, тогда как мы показываем, что квантовый алгоритм может это сделать. Так что даже на этом этапе мы можем увидеть квантовое преимущество».

Что случилось с улавливанием углерода?

Существующие квантовые компьютеры имеют достаточно кубитов для выполнения классически недостижимого моделирования колебательных уровней. Остается выяснить, имеют ли такие квантовые компьютеры достаточно низкий уровень шума для выполнения вычислений, хотя моделирование шума предсказывает успех.

Однако Канав Сетиа, главный исполнительный директор американского поставщика программного обеспечения для квантовых вычислений qкоса и эксперт VQE выразил сомнение в том, что модель NETL/Kentucky отражает истинный уровень шума существующих квантовых компьютеров. Сетиа, который не участвовал в исследовании, говорит: «Учитывая недавний прогресс во многих других архитектурах, проведение этого исследования на квантовых компьютерах может стать возможным в ближайшие годы».

В настоящее время команда сотрудничает с IBM, чтобы реализовать свои идеи на существующем квантовом компьютере, и надеется, что они смогут продемонстрировать квантовое преимущество. Они сообщают о своих выводах в Квантовая наука AVS.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/