양자 컴퓨터는 가장 강력한 고전 컴퓨터의 능력을 넘어서는 계산을 수행함으로써 탄소 포집과 관련된 화학 반응을 연구하는 데 사용될 수 있다고 미국의 연구원들이 밝혔습니다. 팀은 국가에너지기술연구소 (NETL)과 University of Kentucky는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 양자 계산을 시뮬레이션했습니다. 이것은 미래의 양자 컴퓨터에서 계산이 훨씬 더 빠르게 수행될 수 있음을 보여주었습니다.

대기 중 이산화탄소의 증가 수준은 지구 온난화를 유발하고 있으므로 과학자들은 가스를 흡수하고 저장하는 새로운 방법을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 이산화탄소를 소비하는 화학 반응을 사용하여 안전하게 저장할 수 있는 물질을 생성하는 것입니다. 그러나 기존의 탄소 포집 반응은 에너지 집약적이고 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 결과적으로 연구자들은 새로운 탄소 포획 반응과 실제 온도 및 압력에서 반응 효율을 예측하는 방법을 찾고 있습니다.

최적의 반응 경로를 설계하려면 관련된 분자의 미세한 양자 특성에 대한 자세한 이해가 필요합니다. 화학 반응의 양자 특성에 대한 정밀한 계산은 기존 컴퓨터에서 하기 어려운 것으로 악명이 높기 때문에 이것은 어려운 일입니다. 필요한 계산 리소스는 관련된 원자의 수에 따라 기하급수적으로 증가하므로 단순한 반응조차 시뮬레이션하기가 매우 어렵습니다. 다행스럽게도 계산이 양자 컴퓨터에서 수행되는 경우 이러한 기하급수적 확장이 발생하지 않습니다.

작고 시끄러운

양자 컴퓨터는 아직 개발 초기 단계에 있으며 가장 큰 기계는 XNUMX개로 제한됩니다. 수백 개의 양자 비트(큐비트). 또한 양자 계산을 방해하는 노이즈에 시달립니다. 따라서 이러한 잡음이 많은 중간 규모 양자 컴퓨터(NISQ)가 유용한 계산을 수행할 수 있는지 여부는 여전히 많은 논쟁의 대상입니다. 한 가지 유망한 방법은 양자 알고리즘에서 노이즈의 영향을 완화하기 위해 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터를 결합하는 것입니다. 이 접근 방식에는 NETL/Kentucky 연구원이 사용한 Variational Quantum Eigensolver(VQE)가 포함됩니다.

VQE에서 고전적인 컴퓨터는 반응하는 분자의 양자 구성에 대한 추측을 생성합니다. 그런 다음 양자 컴퓨터는 해당 구성의 에너지를 계산합니다. 고전적인 알고리즘은 가장 낮은 에너지 구성이 발견될 때까지 해당 추측을 반복적으로 조정합니다. 따라서 안정적인 최저 에너지 상태가 계산됩니다.

최근 몇 년 동안 VQE 알고리즘을 실행하는 양자 컴퓨팅 하드웨어는 수소 원자 사슬 그리고 에너지 물 분자. 그러나 두 계산 모두 양자 이점을 달성하지 못했습니다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 현실적인 시간 내에 수행할 수 없는 계산을 수행할 때 발생합니다.

시뮬레이션된 양자 계산

이제 NETL/Kentucky 팀은 VQE 알고리즘을 사용하여 이산화탄소 분자가 암모니아 분자와 반응하는 방식을 계산하는 방법을 조사했습니다. 여기에는 NISQ에서 예상되는 잡음 수준을 포함하여 양자 계산을 시뮬레이션하기 위해 고전적인 슈퍼컴퓨터를 사용하는 것이 포함되었습니다.

과거 연구에서는 암모니아가 탄소 포집에 어떻게 사용될 수 있는지 살펴보았지만 이러한 공정이 대규모로 사용될 가능성은 거의 없습니다. 그러나 아민(암모니아와 유사한 복잡한 분자)은 대규모 사용 가능성을 보여줍니다. 결과적으로 이산화탄소와 암모니아가 어떻게 반응하는지 연구하는 것은 VQE를 사용하여 보다 복잡한 아민과 관련된 반응을 연구하는 중요한 첫 단계입니다.

"모델링을 하려면 대표적인 반응을 선택해야 합니다."라고 말합니다. 이위에린, NETL의 팀원입니다. Lee는 단순화된 반응을 통해 이산화탄소에서 암모니아, NH에 이르기까지 분자 크기가 증가함에 따라 현재의 양자 컴퓨팅 알고리즘과 장치가 어떻게 작동하는지 테스트할 수 있다고 지적합니다.₂반응이 생성하는 COOH 분자.

연구팀은 모의 양자 알고리즘으로 암모니아와 반응하는 이산화탄소의 화학적 경로를 계산할 수 있었지만 NH의 진동 에너지 수준을 얻었습니다.₂COOH는 어려운 것으로 판명되었습니다. 그들의 슈퍼컴퓨터는 XNUMX일 간의 계산 끝에 답을 얻었고, 팀은 잡음이 충분히 적은 양자 컴퓨터가 계산을 훨씬 더 빨리 수행할 수 있어야 한다는 결론을 내릴 수 있었습니다. 게다가, 그들은 제품 분자가 더 크면 고전적인 슈퍼컴퓨터 컴퓨터가 문제를 해결할 수 없다는 것을 발견했습니다.

실제 조건

연구원들은 정확한 진동 에너지 수준을 계산하는 것이 XNUMX이 아닌 온도에서 실제 조건에서 반응이 어떻게 진행되는지 이해하는 데 중요하다고 지적합니다.

NETL의 팀원인 Dominic Alfonso는 "실제 조건에서 반응을 보고 싶다면 전체 에너지뿐만 아니라 진동 특성도 필요합니다."라고 말합니다. “고전적인 시뮬레이션은 진동 특성을 계산할 수 없지만 양자 알고리즘은 계산할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 이 단계에서도 양자 이점을 볼 수 있습니다.”

탄소 포집에 무슨 일이 일어났습니까?

기존의 양자 컴퓨터에는 고전적으로 손이 닿지 않는 진동 수준 시뮬레이션을 수행할 수 있는 충분한 큐비트가 있습니다. 남은 것은 이러한 양자 컴퓨터가 계산을 수행할 수 있을 만큼 충분히 낮은 노이즈를 가지고 있는지 여부입니다. 노이즈 시뮬레이션이 성공을 예측하지만 말입니다.

그러나 미국에 기반을 둔 양자 컴퓨팅 소프트웨어 공급업체의 CEO인 Kanav Setia는 큐브레이드 그리고 VQE 전문가는 NETL/Kentucky 모델이 기존 양자 컴퓨터의 실제 소음 수준을 포착하는지 의심을 표명했습니다. 연구에 참여하지 않은 Setia는 "최근 다른 많은 아키텍처의 발전을 감안할 때 양자 컴퓨터에서 이 연구를 수행하는 것이 앞으로 몇 년 안에 가능할 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 팀은 현재 IBM 양자와 협력하여 기존 양자 컴퓨터에서 아이디어를 구현하고 양자 이점을 입증할 수 있기를 희망합니다. 그들은 그들의 발견을 AVS 양자 과학.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/