美国研究人员称，量子计算机可用于研究与碳捕获相关的化学反应，其计算能力甚至超出了最强大的经典计算机的能力。美国国家能源技术实验室(NETL)和肯塔基大学的研究团队使用超级计算机模拟量子计算。这表明在未来的量子计算机上可以更快地完成计算。

大气中二氧化碳含量的增加正在推动全球变暖，因此科学家们热衷于开发吸收和储存这种气体的新方法。这样做的一种方法是使用消耗二氧化碳的化学反应，产生可以安全储存的物质。然而，现有的碳捕获反应往往是能源密集型和昂贵的。因此，研究人员正在寻找新的碳捕获反应，并寻找在实际温度和压力下预测反应效率的方法。

设计最佳反应途径需要详细了解所涉及分子的微观量子特性。这是一个挑战，因为精确计算化学反应的量子性质在传统计算机上是出了名的困难。所需的计算资源随着所涉及的原子数量呈指数增长，使得模拟即使是简单的反应也非常困难。幸运的是，如果在量子计算机上进行计算，这种指数级扩展不会发生。

量子化学:由量子计算机模拟分子的艺术概念。

小而嘈杂

量子计算机仍处于发展的早期阶段，最大的机器被限制在几百个量子比特(量子位)。它们还受到噪声的困扰，噪声会抑制量子计算。因此，这些嘈杂的中型量子计算机 (NISQ) 是否可以进行有用的计算仍然是一个争论不休的话题。一个有前途的途径是结合量子计算机和经典计算机来减轻量子算法中噪声的影响。这种方法包括 NETL/Kentucky 研究人员使用的变分量子本征求解器 (VQE)。

在 VQE 中，经典计算机会猜测反应分子的量子构型。然后，量子计算机计算该配置的能量。经典算法迭代调整猜测，直到找到最低的能量配置。从而计算出稳定的最低能态。

近年来，运行 VQE 算法的量子计算硬件已成功确定氢原子链的结合能和水分子的能量。然而，这两种计算都没有实现量子优势——当量子计算机进行经典计算机在现实时间内无法完成的计算时，就会出现量子优势。

模拟量子计算

现在，NETL/Kentucky 团队探索了如何使用 VQE 算法来计算二氧化碳分子如何与氨分子反应。这涉及使用经典超级计算机来模拟量子计算，包括 NISQ 中预期的噪声水平。

过去的研究着眼于如何将氨用于碳捕获，但这些过程不太可能大规模使用。然而，胺（类似于氨的复杂分子）显示出大规模使用的潜力。因此，研究二氧化碳和氨如何反应是使用 VQE 研究涉及更复杂胺的反应的重要的第一步。

“我们必须选择一个有代表性的反应来进行建模，” NETL 团队成员Yueh-Lin Lee说。Lee 指出，他们简化的反应使他们能够测试当前的量子计算算法和设备如何随着分子大小的增加而变化：从二氧化碳到氨再到反应产生的 NH 2 COOH 分子。

虽然该团队能够使用他们的模拟量子算法计算二氧化碳与氨反应的化学途径，但事实证明获得 NH 2 COOH 的振动能级很困难。他们的超级计算机经过三天的计算得到了答案，让团队得出结论，噪声足够低的量子计算机应该能够更快地进行计算。此外，他们发现，如果产物分子再大一点，经典的超级计算机也无法解决问题。

现实条件

研究人员指出，计算精确的振动能级对于了解非零温度下现实生活条件下的反应情况至关重要。

“如果你想观察现实条件下的反应，你不仅需要总能量，还需要振动特性，”NETL 的团队成员 Dominic Alfonso 说。“经典模拟无法计算振动特性，而我们证明量子算法可以做到这一点。所以，即使在这个阶段，我们也可能看到量子优势。”

现有的量子计算机有足够的量子比特来执行经典的无法达到的振动水平模拟。有待观察的是，此类量子计算机是否具有足够低的噪声来进行计算——尽管噪声模拟预测成功。

然而，美国量子计算软件供应商qBraid的首席执行官兼 VQE 专家 Kanav Setia 对 NETL/Kentucky 模型能否捕捉到现有量子计算机的真实噪声水平表示怀疑。没有参与这项研究的 Setia 说：“鉴于许多其他架构的最新进展，未来几年可能有可能在量子计算机上进行这项研究。”

该团队目前正在与IBM量子公司合作，在现有的量子计算机上实现他们的想法，并有希望展示量子优势。他们在《AVS量子科学》杂志上报告了他们的发现。

参考链接：https://physicsworld.com/a/carbon-capture-technology-could-benefit-from-quantum-computing/