เทคโนโลยีการดักจับคาร์บอนอาจได้รับประโยชน์จากควอนตัมคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับการดักจับคาร์บอนด้วยการคำนวณที่เกินความสามารถของแม้แต่คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ทรงพลังที่สุด ตามรายงานของนักวิจัยในสหรัฐอเมริกา ทีมงานที่ ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (NETL) และมหาวิทยาลัยเคนทักกีใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อจำลองการคำนวณควอนตัม สิ่งนี้เผยให้เห็นว่าการคำนวณสามารถทำได้เร็วขึ้นมากในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต

ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศกำลังขับเคลื่อนภาวะโลกร้อน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงกระตือรือร้นที่จะพัฒนาวิธีใหม่ๆ ในการดูดซับและจัดเก็บก๊าซดังกล่าว วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการใช้ปฏิกิริยาเคมีที่ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ สร้างสารที่สามารถเก็บไว้ได้อย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาการดักจับคาร์บอนที่มีอยู่มักจะใช้พลังงานมากและมีราคาแพง ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงมองหาปฏิกิริยาการดักจับคาร์บอนแบบใหม่ และมองหาวิธีการทำนายประสิทธิภาพของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันที่เหมือนจริง

การออกแบบเส้นทางปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดนั้นต้องการความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติควอนตัมในระดับจุลภาคของโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง นี่เป็นความท้าทายเนื่องจากการคำนวณธรรมชาติควอนตัมของปฏิกิริยาเคมีอย่างแม่นยำนั้นทำได้ยากในคอมพิวเตอร์ทั่วไป ทรัพยากรการคำนวณที่จำเป็นเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณตามจำนวนอะตอมที่เกี่ยวข้อง ทำให้การจำลองปฏิกิริยาง่ายๆ เป็นเรื่องยากมาก โชคดีที่การปรับขนาดแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลนี้จะไม่เกิดขึ้นหากทำการคำนวณบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เล็กและมีเสียงดัง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา และเครื่องที่ใหญ่ที่สุดจำกัดไว้ที่ a ควอนตัมบิต (qubits). พวกเขายังถูกรบกวนด้วยเสียงซึ่งขัดขวางการคำนวณควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมระดับกลาง (NISQ) ที่มีเสียงดังเหล่านี้สามารถทำการคำนวณที่เป็นประโยชน์ได้หรือไม่ ดังนั้นจึงยังคงเป็นประเด็นถกเถียงกันอย่างมาก แนวทางหนึ่งที่มีแนวโน้มคือการรวมคอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์คลาสสิกเพื่อลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนในอัลกอริทึมควอนตัม วิธีการนี้รวมถึงการแปรผันของควอนตัมไอเกนโซลเวอร์ (VQE) ซึ่งใช้โดยนักวิจัยของ NETL/Kentucky

ใน VQE คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจะสร้างการคาดเดาสำหรับการกำหนดค่าควอนตัมของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา จากนั้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะคำนวณพลังงานของการกำหนดค่านั้น อัลกอริธึมแบบคลาสสิกจะปรับการคาดเดานั้นซ้ำๆ จนกว่าจะพบการกำหนดค่าพลังงานต่ำสุด ดังนั้นจึงคำนวณสถานะพลังงานต่ำสุดที่เสถียร

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้อัลกอริทึม VQE ประสบความสำเร็จในการระบุพลังงานผูกพันของ โซ่ของอะตอมไฮโดรเจน และพลังงานของก โมเลกุลของน้ำ. อย่างไรก็ตาม การคำนวณทั้งสองไม่ประสบความสำเร็จในเชิงควอนตัม ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ในระยะเวลาที่เป็นจริง

การคำนวณควอนตัมจำลอง

ขณะนี้ ทีม NETL/Kentucky ได้สำรวจว่าอัลกอริธึม VQE สามารถใช้คำนวณว่าโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของแอมโมเนียได้อย่างไร สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิกเพื่อจำลองการคำนวณควอนตัม รวมถึงระดับเสียงที่คาดหวังใน NISQ

การศึกษาที่ผ่านมาได้พิจารณาถึงวิธีการใช้แอมโมเนียในการดักจับคาร์บอน แต่ไม่น่าเป็นไปได้ที่กระบวนการเหล่านี้จะใช้ในปริมาณมากได้ อย่างไรก็ตาม เอมีน – โมเลกุลเชิงซ้อนที่มีลักษณะคล้ายแอมโมเนีย – แสดงศักยภาพในการใช้งานในปริมาณมาก ด้วยเหตุนี้ การศึกษาปฏิกิริยาของคาร์บอนไดออกไซด์และแอมโมเนียจึงเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญต่อการใช้ VQE เพื่อศึกษาปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับเอมีนที่ซับซ้อนมากขึ้น

“เราต้องเลือกปฏิกิริยาที่เป็นตัวแทนในการสร้างแบบจำลอง” กล่าว หยูหลิน ลีซึ่งเป็นสมาชิกทีมของ NETL Lee ชี้ให้เห็นว่าปฏิกิริยาที่เรียบง่ายของพวกเขาช่วยให้พวกเขาทดสอบได้ว่าอัลกอริทึมคอมพิวเตอร์ควอนตัมและอุปกรณ์ในปัจจุบันมีขนาดโมเลกุลเพิ่มขึ้นอย่างไร ตั้งแต่คาร์บอนไดออกไซด์ไปจนถึงแอมโมเนียไปจนถึง NH₂โมเลกุล COOH ที่ปฏิกิริยาสร้างขึ้น

ในขณะที่ทีมสามารถคำนวณวิถีทางเคมีของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียด้วยอัลกอริธึมควอนตัมจำลองของพวกเขา โดยได้รับระดับพลังงานการสั่นสะเทือนของ NH₂COOH พิสูจน์ได้ยาก ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของพวกเขาได้รับคำตอบหลังจากการคำนวณสามวัน ทำให้ทีมสรุปได้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเพียงพอควรจะสามารถคำนวณได้เร็วกว่ามาก นอกจากนี้ พวกเขาพบว่าหากโมเลกุลของผลิตภัณฑ์มีขนาดใหญ่กว่านี้ คอมพิวเตอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมจะไม่สามารถแก้ปัญหาได้

สภาพชีวิตจริง

นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าการคำนวณระดับพลังงานการสั่นสะเทือนที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างไรในสภาพชีวิตจริงที่อุณหภูมิไม่เป็นศูนย์

“หากคุณต้องการดูปฏิกิริยาในสภาวะที่เหมือนจริง คุณไม่เพียงแต่ต้องการพลังงานทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังต้องมีคุณสมบัติในการสั่นอีกด้วย” Dominic Alfonso สมาชิกในทีมจาก NETL กล่าว “การจำลองแบบดั้งเดิมไม่สามารถคำนวณคุณสมบัติการสั่นได้ ในขณะที่เราแสดงให้เห็นว่าอัลกอริทึมควอนตัมสามารถทำได้ แม้ในขั้นตอนนี้ เราอาจเห็นข้อได้เปรียบทางควอนตัม”

เกิดอะไรขึ้นกับการดักจับคาร์บอน?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีอยู่มี qubits เพียงพอที่จะทำการจำลองระดับการสั่นที่เข้าถึงได้ยากแบบคลาสสิก สิ่งที่ยังคงต้องดูคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าวมีสัญญาณรบกวนต่ำพอที่จะทำการคำนวณหรือไม่ แม้ว่าการจำลองสัญญาณรบกวนจะทำนายความสำเร็จก็ตาม

อย่างไรก็ตาม Kanav Setia ซึ่งเป็นประธานเจ้าหน้าที่บริหารของผู้ให้บริการซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ควอนตัมในสหรัฐฯ qถักเปีย และผู้เชี่ยวชาญ VQE ได้แสดงความสงสัยว่าโมเดล NETL/Kentucky จับระดับเสียงรบกวนที่แท้จริงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีอยู่ Setia ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยกล่าวว่า "ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในสถาปัตยกรรมอื่น ๆ การศึกษานี้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจเป็นไปได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า"

ขณะนี้ทีมกำลังทำงานร่วมกับ IBM quantum เพื่อนำแนวคิดของพวกเขาไปใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีอยู่ และหวังว่าพวกเขาจะแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบด้านควอนตัม พวกเขารายงานการค้นพบของพวกเขาใน AVS วิทยาศาสตร์ควอนตัม.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/