Karbon yakalama teknolojisi, kuantum hesaplamadan yararlanabilir

ABD'deki araştırmacılara göre, kuantum bilgisayarları, en güçlü klasik bilgisayarların bile kapasitesinin ötesinde hesaplamalar yaparak karbon yakalamayla ilgili kimyasal reaksiyonları incelemek için kullanılabilir. Takımdaki Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı (NETL) ve Kentucky Üniversitesi, kuantum hesaplamalarını simüle etmek için bir süper bilgisayar kullandı. Bu, hesaplamanın geleceğin kuantum bilgisayarlarında çok daha hızlı yapılabileceğini ortaya çıkardı.

Atmosferdeki artan karbondioksit seviyeleri küresel ısınmayı artırıyor, bu nedenle bilim adamları gazı emmenin ve depolamanın yeni yollarını geliştirmeye hevesli. Bunu yapmanın bir yolu, güvenli bir şekilde depolanabilen maddeler yaratarak karbondioksit tüketen kimyasal reaksiyonları kullanmaktır. Bununla birlikte, mevcut karbon yakalama reaksiyonları, enerji yoğun ve pahalı olma eğilimindedir. Sonuç olarak, araştırmacılar yeni karbon yakalama reaksiyonları ve ayrıca gerçekçi sıcaklık ve basınçlarda reaksiyon verimliliklerini tahmin etmenin yollarını arıyorlar.

Optimal reaksiyon yollarının tasarlanması, ilgili moleküllerin mikroskobik kuantum özelliklerinin ayrıntılı olarak anlaşılmasını gerektirir. Bu zorlu bir iş çünkü kimyasal reaksiyonların kuantum doğasının kesin hesaplamalarını geleneksel bilgisayarlarda yapmak herkesin bildiği gibi zordur. Gerekli hesaplama kaynakları, dahil olan atom sayısıyla katlanarak artar ve bu da basit reaksiyonların simülasyonunu bile çok zorlaştırır. Neyse ki, bu üstel ölçeklendirme, hesaplamalar kuantum bilgisayarlarda yapılırsa gerçekleşmez.

Küçük ve gürültülü

Kuantum bilgisayarlar hala geliştirmenin ilk aşamalarındadır ve en büyük makineler bir birkaç yüz kuantum biti (kübit). Ayrıca kuantum hesaplamalarını engelleyen gürültüden de rahatsızlar. Bu gürültülü orta ölçekli kuantum bilgisayarların (NISQ'lar) yararlı hesaplamalar yapıp yapamayacağı bu nedenle hala çok tartışılan bir konudur. Gelecek vaat eden bir yol, kuantum algoritmalarında gürültünün etkilerini azaltmak için kuantum ve klasik bilgisayarları birleştirmek. Bu yaklaşım, NETL/Kentucky araştırmacıları tarafından kullanılan varyasyonel kuantum özçözücüyü (VQE) içerir.

Bir VQE'de klasik bir bilgisayar, reaksiyona giren moleküllerin kuantum konfigürasyonu için bir tahmin üretir. Daha sonra, kuantum bilgisayar bu konfigürasyonun enerjisini hesaplar. Klasik algoritma, en düşük enerji konfigürasyonu bulunana kadar bu tahmini yinelemeli olarak ayarlar. Böylece kararlı en düşük enerji durumu hesaplanır.

Son yıllarda, VQE algoritmalarını çalıştıran kuantum bilgi işlem donanımı, bağlanma enerjisini başarıyla belirledi. hidrojen atomlarının zincirleri ve bir enerji su molekülü. Bununla birlikte, hiçbir hesaplama kuantum avantajı sağlamadı - bu, bir kuantum bilgisayar, klasik bir bilgisayarın gerçekçi bir sürede yapamayacağı bir hesaplama yaptığında ortaya çıkar.

Simüle edilmiş kuantum hesaplaması

Şimdi NETL/Kentucky ekibi, bir karbondioksit molekülünün bir amonyak molekülüyle nasıl reaksiyona girdiğini hesaplamak için VQE algoritmalarının nasıl kullanılabileceğini araştırdı. Bu, bir NISQ'da beklenen gürültü seviyeleri de dahil olmak üzere kuantum hesaplamasını simüle etmek için klasik bir süper bilgisayar kullanmayı içeriyordu.

Geçmiş çalışmalar, amonyağın karbon yakalama için nasıl kullanılabileceğine bakmıştı, ancak bu süreçlerin büyük ölçekli olarak kullanılabilmesi pek olası değil. Bununla birlikte, amonyağa benzeyen karmaşık moleküller olan aminler, büyük ölçekli kullanım potansiyeli göstermektedir. Sonuç olarak, karbondioksit ve amonyağın nasıl reaksiyona girdiğini incelemek, daha karmaşık aminleri içeren reaksiyonları incelemek için VQE'leri kullanmaya yönelik önemli bir ilk adımdır.

"Modelleme yapmak için temsili bir tepki seçmeliyiz" diyor Yueh-Lin Lee, NETL'de ekip üyesi olan. Lee, basitleştirilmiş reaksiyonlarının, mevcut kuantum hesaplama algoritmalarının ve cihazlarının artan moleküler boyutla nasıl başa çıktığını test etmelerine izin verdiğine dikkat çekiyor: karbondioksitten amonyağa ve NH₂Reaksiyonun ürettiği COOH molekülü.

Ekip, simüle edilmiş kuantum algoritmasıyla karbondioksitin amonyakla reaksiyona giren kimyasal yolunu hesaplayabilirken, NH'nin titreşimsel enerji seviyelerini elde etti.₂COOH zor oldu. Süper bilgisayarları, üç günlük hesaplamalardan sonra bir yanıt aldı ve ekibin, yeterince düşük gürültülü bir kuantum bilgisayarın hesaplamaları çok daha hızlı yapabilmesi gerektiği sonucuna varmasına olanak sağladı. Dahası, ürün molekülü daha büyük olsaydı, klasik bir süper bilgisayarın sorunu çözemeyeceğini keşfettiler.

Gerçek hayat koşulları

Araştırmacılar, kesin titreşimsel enerji seviyelerini hesaplamanın, reaksiyonun sıfır olmayan sıcaklıklarda gerçek yaşam koşullarında nasıl ilerleyeceğini anlamak için çok önemli olduğuna dikkat çekiyor.

NETL'den ekip üyesi Dominic Alfonso, "Reaksiyona gerçekçi koşullarda bakmak istiyorsanız, yalnızca toplam enerjiye değil, aynı zamanda titreşim özelliklerine de ihtiyacınız var" diyor. "Klasik bir simülasyon, titreşim özelliklerini hesaplayamazken, kuantum algoritmasının bunu yapabileceğini gösteriyoruz. Yani bu aşamada bile kuantum avantajı görebiliriz.”

Karbon yakalamaya ne oldu?

Mevcut kuantum bilgisayarlar, klasik olarak erişilemeyen titreşim seviyelerinin simülasyonunu gerçekleştirmek için yeterli kubite sahiptir. Görülecek şey, bu tür kuantum bilgisayarların hesaplamaları yapmak için yeterince düşük gürültüye sahip olup olmadığıdır - gürültü simülasyonları başarıyı tahmin etse de.

Ancak ABD merkezli kuantum hesaplama yazılım sağlayıcısının CEO'su Kanav Setia, qÖrgü ve bir VQE uzmanı, NETL/Kentucky modelinin mevcut kuantum bilgisayarların gerçek gürültü seviyesini yakaladığına dair şüphelerini dile getirdi. Araştırmada yer almayan Setia, "Diğer birçok mimarideki son gelişmeler göz önüne alındığında, bu çalışmayı kuantum bilgisayarlarda gerçekleştirmek önümüzdeki yıllarda mümkün olabilir" diyor.

Ekip, fikirlerini mevcut bir kuantum bilgisayarına uygulamak için şimdi IBM Quantum ile işbirliği yapıyor ve kuantum avantajı gösterebileceklerini umuyorlar. Bulgularını içinde rapor ederler AVS Kuantum Bilimi.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/