Công nghệ thu giữ carbon có thể được hưởng lợi từ điện toán lượng tử

Theo các nhà nghiên cứu ở Mỹ, máy tính lượng tử có thể được sử dụng để nghiên cứu các phản ứng hóa học liên quan đến việc thu giữ carbon bằng cách thực hiện các phép tính vượt quá khả năng của ngay cả những máy tính cổ điển mạnh nhất. Đội ngũ tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Năng lượng Quốc gia (NETL) và Đại học Kentucky đã sử dụng một siêu máy tính để mô phỏng các phép tính lượng tử. Điều này tiết lộ rằng việc tính toán có thể được thực hiện nhanh hơn nhiều trên các máy tính lượng tử trong tương lai.

Mức độ carbon dioxide trong khí quyển ngày càng tăng đang thúc đẩy sự nóng lên toàn cầu, vì vậy các nhà khoa học rất muốn phát triển những cách mới để hấp thụ và lưu trữ khí này. Một cách để làm điều này là sử dụng các phản ứng hóa học tiêu thụ carbon dioxide, tạo ra các chất có thể được lưu trữ an toàn. Tuy nhiên, các phản ứng thu giữ carbon hiện tại có xu hướng tốn nhiều năng lượng và tốn kém. Do đó, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các phản ứng thu giữ carbon mới và cả các cách để dự đoán hiệu suất phản ứng ở nhiệt độ và áp suất thực tế.

Việc thiết kế các lộ trình phản ứng tối ưu đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về các tính chất lượng tử vi mô của các phân tử liên quan. Đây là một thách thức vì tính toán chính xác về bản chất lượng tử của các phản ứng hóa học nổi tiếng là khó thực hiện trên máy tính thông thường. Các tài nguyên tính toán cần thiết tăng theo cấp số nhân với số lượng nguyên tử tham gia, khiến cho việc mô phỏng các phản ứng đơn giản thậm chí trở nên rất khó khăn. May mắn thay, quy mô theo cấp số nhân này không xảy ra nếu các tính toán được thực hiện trên máy tính lượng tử.

Nhỏ và ồn ào

Máy tính lượng tử vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và những cỗ máy lớn nhất được giới hạn trong một vài trăm bit lượng tử (qubit). Chúng cũng bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, cản trở các tính toán lượng tử. Do đó, liệu các máy tính lượng tử quy mô trung bình (NISQ) ồn ào này có thể thực hiện các phép tính hữu ích hay không vẫn là một chủ đề gây tranh cãi. Một con đường đầy hứa hẹn là kết hợp các máy tính lượng tử và cổ điển để giảm thiểu tác động của nhiễu trong các thuật toán lượng tử. Cách tiếp cận này bao gồm bộ giải riêng lượng tử biến thiên (VQE), được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu NETL/Kentucky.

Trong VQE, một máy tính cổ điển tạo ra dự đoán về cấu hình lượng tử của các phân tử phản ứng. Sau đó, máy tính lượng tử tính toán năng lượng của cấu hình đó. Thuật toán cổ điển lặp đi lặp lại điều chỉnh dự đoán đó cho đến khi tìm thấy cấu hình năng lượng thấp nhất. Do đó, trạng thái năng lượng thấp nhất ổn định được tính toán.

Trong những năm gần đây, phần cứng máy tính lượng tử chạy thuật toán VQE đã xác định thành công năng lượng liên kết của chuỗi nguyên tử hydro và năng lượng của một phân tử nước. Tuy nhiên, không phép tính nào đạt được lợi thế lượng tử – điều xảy ra khi máy tính lượng tử thực hiện phép tính mà máy tính cổ điển không thể thực hiện trong một khoảng thời gian thực tế.

tính toán lượng tử mô phỏng

Giờ đây, nhóm NETL/Kentucky đã khám phá cách sử dụng các thuật toán VQE để tính toán cách một phân tử carbon dioxide phản ứng với một phân tử amoniac. Điều này liên quan đến việc sử dụng một siêu máy tính cổ điển để mô phỏng phép tính lượng tử, bao gồm cả mức độ tiếng ồn dự kiến ​​trong NISQ.

Các nghiên cứu trước đây đã xem xét cách sử dụng amoniac để thu giữ carbon, nhưng không chắc rằng các quy trình này có thể được sử dụng trên quy mô lớn. Tuy nhiên, các amin – các phân tử phức tạp giống như amoniac – cho thấy tiềm năng sử dụng quy mô lớn. Do đó, việc nghiên cứu cách phản ứng của carbon dioxide và amoniac là bước đầu tiên quan trọng hướng tới việc sử dụng VQE để nghiên cứu các phản ứng liên quan đến các amin phức tạp hơn.

“Chúng tôi phải chọn một phản ứng đại diện để làm mô hình,” nói Yueh-Lin Lee, một thành viên trong nhóm tại NETL. Lee chỉ ra rằng phản ứng đơn giản hóa của họ cho phép họ kiểm tra xem các thuật toán và thiết bị điện toán lượng tử hiện tại hoạt động như thế nào với kích thước phân tử ngày càng tăng: từ carbon dioxide đến amoniac đến NH₂phân tử COOH mà phản ứng tạo ra.

Trong khi nhóm nghiên cứu có thể tính toán con đường hóa học của carbon dioxide phản ứng với amoniac bằng thuật toán lượng tử mô phỏng của họ, thu được các mức năng lượng dao động của NH₂COOH tỏ ra khó khăn. Siêu máy tính của họ đã nhận được câu trả lời sau ba ngày tính toán, cho phép nhóm kết luận rằng một máy tính lượng tử có độ ồn đủ thấp sẽ có thể thực hiện phép tính nhanh hơn nhiều. Hơn nữa, họ phát hiện ra rằng nếu phân tử sản phẩm lớn hơn bất kỳ, một máy tính siêu máy tính cổ điển sẽ không thể giải quyết vấn đề.

điều kiện thực tế

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng việc tính toán các mức năng lượng dao động chính xác là rất quan trọng để hiểu phản ứng sẽ diễn ra như thế nào trong điều kiện thực tế, ở nhiệt độ khác không.

“Nếu bạn muốn quan sát phản ứng trong điều kiện thực tế, bạn không chỉ cần tổng năng lượng mà cả các đặc tính rung động nữa,” thành viên nhóm Dominic Alfonso tại NETL cho biết. “Một mô phỏng cổ điển không thể tính toán các đặc tính rung động, trong khi chúng tôi chỉ ra rằng một thuật toán lượng tử có thể làm được điều đó. Vì vậy, ngay cả ở giai đoạn này, chúng ta có thể thấy một lợi thế lượng tử.”

Điều gì đã xảy ra với việc thu giữ carbon?

Các máy tính lượng tử hiện tại có đủ qubit để thực hiện mô phỏng mức độ rung động ngoài tầm với cổ điển. Điều còn phải xem là liệu những máy tính lượng tử như vậy có đủ tiếng ồn thấp để thực hiện các phép tính hay không – mặc dù mô phỏng tiếng ồn dự đoán thành công.

Tuy nhiên Kanav Setia, giám đốc điều hành của nhà cung cấp phần mềm điện toán lượng tử có trụ sở tại Hoa Kỳ bím tóc và một chuyên gia VQE, đã bày tỏ sự nghi ngờ rằng mô hình NETL/Kentucky có nắm bắt được mức độ nhiễu thực sự của các máy tính lượng tử hiện có hay không. Setia, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết “Với những tiến bộ gần đây trong nhiều kiến ​​trúc khác, việc thực hiện nghiên cứu này trên máy tính lượng tử có thể khả thi trong những năm tới.”

Nhóm hiện đang hợp tác với lượng tử IBM để thực hiện ý tưởng của họ trên một máy tính lượng tử hiện có và hy vọng họ có thể chứng minh lợi thế lượng tử. Họ báo cáo những phát hiện của họ trong Khoa học lượng tử AVS.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/