Teknik för kolavskiljning skulle kunna dra nytta av kvantberäkning

Kvantdatorer skulle kunna användas för att studera kemiska reaktioner relaterade till kolavskiljning genom att göra beräkningar som är bortom kapaciteten hos ens de mest kraftfulla klassiska datorerna – enligt forskare i USA. Teamet på Nationella energitekniklaboratoriet (NETL) och University of Kentucky använde en superdator för att simulera kvantberäkningarna. Detta avslöjade att beräkningen kunde göras mycket snabbare på framtidens kvantdatorer.

Ökande halter av koldioxid i atmosfären driver den globala uppvärmningen så forskare är angelägna om att utveckla nya sätt att absorbera gasen och lagra den. Ett sätt att göra detta är att använda kemiska reaktioner som förbrukar koldioxid, vilket skapar ämnen som kan lagras säkert. Befintliga kolinfångningsreaktioner tenderar dock att vara energikrävande och dyra. Som ett resultat är forskare på jakt efter nya kolinfångningsreaktioner och även efter sätt att förutsäga reaktionseffektivitet vid realistiska temperaturer och tryck.

Att utforma optimala reaktionsvägar kräver en detaljerad förståelse av de mikroskopiska kvantegenskaperna hos de inblandade molekylerna. Detta är en utmaning eftersom exakta beräkningar av kemiska reaktioners kvantnatur är notoriskt svåra att göra på konventionella datorer. De nödvändiga beräkningsresurserna ökar exponentiellt med antalet inblandade atomer, vilket gör det mycket svårt att simulera även enkla reaktioner. Lyckligtvis sker inte denna exponentiella skalning om beräkningarna görs på kvantdatorer.

Litet och bullrigt

Kvantdatorer är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna och de största maskinerna är begränsade till en några hundra kvantbitar (qubits). De plågas också av brus, vilket hämmar kvantberäkningar. Huruvida dessa bullriga kvantdatorer i mellanskala (NISQ) kan göra användbara beräkningar är därför fortfarande föremål för mycket debatt. En lovande väg är att kombinera kvantdatorer och klassiska datorer för att mildra effekterna av brus i kvantalgoritmer. Detta tillvägagångssätt inkluderar den variationella kvantegenlösaren (VQE), som användes av NETL/Kentucky-forskarna.

I en VQE genererar en klassisk dator en gissning för kvantkonfigurationen av de reagerande molekylerna. Sedan beräknar kvantdatorn energin för den konfigurationen. Den klassiska algoritmen justerar den gissningen iterativt tills den lägsta energikonfigurationen hittas. Således beräknas det stabila lägsta energitillståndet.

Under de senaste åren har kvantberäkningshårdvara som kör VQE-algoritmer framgångsrikt bestämt bindningsenergin för kedjor av väteatomer och energin hos en vattenmolekyl. Ingendera beräkningen uppnådde dock kvantfördelar – vilket inträffar när en kvantdator gör en beräkning som en klassisk dator inte kan göra på en realistisk tid.

Simulerad kvantberäkning

Nu har NETL/Kentucky-teamet utforskat hur VQE-algoritmer kan användas för att beräkna hur en koldioxidmolekyl reagerar med en ammoniakmolekyl. Detta innebar att man använde en klassisk superdator för att simulera kvantberäkningen, inklusive de förväntade brusnivåerna i en NISQ.

Tidigare studier har tittat på hur ammoniak skulle kunna användas för kolavskiljning, men det är osannolikt att dessa processer skulle kunna användas i stor skala. Aminer – komplexa molekyler som liknar ammoniak – visar dock potential för storskalig användning. Som ett resultat är att studera hur koldioxid och ammoniak reagerar ett viktigt första steg mot att använda VQE för att studera reaktioner som involverar mer komplexa aminer.

"Vi måste välja en representativ reaktion för att göra modelleringen," säger Yueh-Lin Lee, som är en teammedlem på NETL. Lee påpekar att deras förenklade reaktion tillåter dem att testa hur nuvarande kvantberäkningsalgoritmer och enheter klarar sig med ökande molekylstorlek: från koldioxid till ammoniak till NH₂COOH-molekyl som reaktionen producerar.

Medan teamet kunde beräkna den kemiska vägen för koldioxid som reagerar med ammoniak med sin simulerade kvantalgoritm, och erhåller vibrationsenerginivåerna för NH₂COOH visade sig vara svårt. Deras superdator fick svar efter tre dagars beräkningar, vilket gjorde att teamet kunde dra slutsatsen att en kvantdator med tillräckligt lågt brus borde kunna göra beräkningen mycket snabbare. Dessutom fann de att om produktmolekylen var någon större, skulle en klassisk superdator inte kunna lösa problemet.

Verkliga förhållanden

Forskarna påpekar att beräkning av exakta vibrationsenerginivåer är avgörande för att förstå hur reaktionen skulle klara sig under verkliga förhållanden, vid temperaturer som inte är noll.

"Om du vill titta på reaktionen under realistiska förhållanden behöver du inte bara den totala energin utan också vibrationsegenskaperna", säger teammedlemmen Dominic Alfonso på NETL. "En klassisk simulering kan inte beräkna vibrationsegenskaperna, medan vi visar att en kvantalgoritm kan göra det. Så även i detta skede kan vi se en kvantfördel.”

Vad hände med kolavskiljning?

Befintliga kvantdatorer har tillräckligt med qubits för att utföra den klassiskt utom räckhållssimuleringen av vibrationsnivåer. Det som återstår att se är om sådana kvantdatorer har tillräckligt lågt brus för att göra beräkningarna – även om brussimuleringar förutspår framgång.

Kanav Setia, som är verkställande direktör för den USA-baserade leverantören av kvantdatorprogram qRädd och en VQE-expert, har uttryckt tvivel om att NETL/Kentucky-modellen fångar den verkliga brusnivån hos befintliga kvantdatorer. Setia, som inte har varit inblandad i forskningen, säger "Med tanke på de senaste framstegen inom många andra arkitekturer kan det vara möjligt att utföra denna studie på kvantdatorer under de kommande åren."

Teamet samarbetar nu med IBM quantum för att implementera sina idéer på en befintlig kvantdator, och hoppas att de kan visa en kvantfördel. De rapporterar sina fynd i AVS Quantum Science.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/