Tehnologija zajemanja ogljika bi lahko imela koristi od kvantnega računalništva

Kvantne računalnike bi lahko uporabili za preučevanje kemičnih reakcij, povezanih z zajemanjem ogljika, z izračuni, ki presegajo zmožnosti celo najmočnejših klasičnih računalnikov – po mnenju raziskovalcev v ZDA. Ekipa pri Nacionalni laboratorij za energetske tehnologije (NETL) in Univerza v Kentuckyju sta uporabila superračunalnik za simulacijo kvantnih izračunov. To je razkrilo, da bi bilo mogoče računanje opraviti veliko hitreje na kvantnih računalnikih prihodnosti.

Naraščajoče ravni ogljikovega dioksida v ozračju povzročajo globalno segrevanje, zato si znanstveniki želijo razviti nove načine za absorpcijo plina in njegovo shranjevanje. Eden od načinov za to je uporaba kemičnih reakcij, ki porabljajo ogljikov dioksid in ustvarjajo snovi, ki jih je mogoče varno shraniti. Vendar pa so obstoječe reakcije zajemanja ogljika energetsko intenzivne in drage. Posledično raziskovalci iščejo nove reakcije zajemanja ogljika in tudi načine za napovedovanje učinkovitosti reakcij pri realnih temperaturah in tlakih.

Oblikovanje optimalnih reakcijskih poti zahteva natančno razumevanje mikroskopskih kvantnih lastnosti vpletenih molekul. To je izziv, ker je natančne izračune kvantne narave kemijskih reakcij znano težko izvesti na običajnih računalnikih. Zahtevani računalniški viri eksponentno naraščajo s številom vključenih atomov, zaradi česar je simulacija celo preprostih reakcij zelo težavna. Na srečo do tega eksponentnega skaliranja ne pride, če se izračuni izvajajo na kvantnih računalnikih.

Majhna in hrupna

Kvantni računalniki so še vedno v zgodnjih fazah razvoja in največji stroji so omejeni na a nekaj sto kvantnih bitov (qubits). Muči jih tudi hrup, ki zavira kvantne izračune. Ali lahko ti hrupni kvantni računalniki srednjega obsega (NISQ) opravljajo uporabne izračune, je zato še vedno predmet številnih razprav. Ena obetavna pot je združevanje kvantnih in klasičnih računalnikov za ublažitev učinkov hrupa v kvantnih algoritmih. Ta pristop vključuje variacijski kvantni lastni rezolver (VQE), ki so ga uporabili raziskovalci NETL/Kentucky.

V VQE klasični računalnik generira ugibanje o kvantni konfiguraciji reagirajočih molekul. Nato kvantni računalnik izračuna energijo te konfiguracije. Klasični algoritem iterativno prilagaja to ugibanje, dokler ni najdena najnižja energijska konfiguracija. Tako se izračuna stabilno stanje z najnižjo energijo.

V zadnjih letih je strojna oprema za kvantno računalništvo, ki izvaja algoritme VQE, uspešno določila vezno energijo verige vodikovih atomov in energija a molekula vode. Vendar noben izračun ni dosegel kvantne prednosti – kar se zgodi, ko kvantni računalnik izvede izračun, ki ga klasičen računalnik ne more narediti v realnem času.

Simulirani kvantni izračun

Zdaj je ekipa NETL/Kentucky raziskala, kako bi lahko algoritme VQE uporabili za izračun, kako molekula ogljikovega dioksida reagira z molekulo amoniaka. To je vključevalo uporabo klasičnega superračunalnika za simulacijo kvantnega izračuna, vključno s pričakovanimi ravnmi hrupa v NISQ.

Pretekle študije so preučevale, kako bi lahko uporabili amoniak za zajemanje ogljika, vendar je malo verjetno, da bi se ti procesi lahko uporabljali v velikem obsegu. Vendar pa amini – kompleksne molekule, ki so podobne amoniaku – kažejo potencial za uporabo v velikem obsegu. Posledično je preučevanje reakcije ogljikovega dioksida in amoniaka pomemben prvi korak k uporabi VQE za preučevanje reakcij, ki vključujejo bolj kompleksne amine.

"Za modeliranje moramo izbrati reprezentativno reakcijo," pravi Yueh-Lin Lee, ki je član ekipe pri NETL. Lee poudarja, da jim njihova poenostavljena reakcija omogoča preizkusiti, kako se trenutni kvantni računalniški algoritmi in naprave obnesejo z naraščajočo velikostjo molekul: od ogljikovega dioksida do amoniaka do NH₂Molekula COOH, ki nastane pri reakciji.

Medtem ko je ekipa lahko izračunala kemijsko pot ogljikovega dioksida, ki reagira z amoniakom s svojim simuliranim kvantnim algoritmom, je pridobila ravni vibracijske energije NH₂COOH se je izkazal za težavnega. Njihov superračunalnik je dobil odgovor po treh dneh izračunov, kar je skupini omogočilo zaključek, da bi kvantni računalnik z dovolj nizkim šumom moral biti sposoben izvesti izračun veliko hitreje. Poleg tega so ugotovili, da če bi bila molekula produkta večja, klasični superračunalniški računalnik ne bi mogel rešiti problema.

Realni življenjski pogoji

Raziskovalci poudarjajo, da je izračun natančnih ravni vibracijske energije ključnega pomena za razumevanje, kako bi reakcija potekala v dejanskih pogojih, pri temperaturah, ki niso ničelne.

"Če želite pogledati reakcijo v realističnih pogojih, ne potrebujete le skupne energije, ampak tudi vibracijske lastnosti," pravi član ekipe Dominic Alfonso pri NETL. »Klasična simulacija ne more izračunati vibracijskih lastnosti, medtem ko mi pokažemo, da to lahko stori kvantni algoritem. Tudi na tej stopnji lahko vidimo kvantno prednost.«

Kaj se je zgodilo z zajemanjem ogljika?

Obstoječi kvantni računalniki imajo dovolj kubitov za izvedbo klasično nedosegljive simulacije ravni vibracij. Še vedno je treba ugotoviti, ali imajo takšni kvantni računalniki dovolj nizek hrup za izračune - čeprav simulacije hrupa napovedujejo uspeh.

Vendar Kanav Setia, ki je glavni izvršni direktor ameriškega ponudnika programske opreme za kvantno računalništvo qPletnica in strokovnjak za VQE, je izrazil dvom, da model NETL/Kentucky zajema resnično raven šuma obstoječih kvantnih računalnikov. Setia, ki ni sodeloval pri raziskavi, pravi: "Glede na nedavni napredek v mnogih drugih arhitekturah bo izvedba te študije na kvantnih računalnikih morda možna v prihodnjih letih."

Ekipa zdaj sodeluje z IBM quantum, da bi svoje zamisli uvedli na obstoječem kvantnem računalniku, in upajo, da bodo lahko dokazali kvantno prednost. O svojih ugotovitvah poročajo v AVS kvantna znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/