Многофункциональные пористые материалы (МФПМ) можно сравнить со «сборкой из блоков «Лего»», что позволяет проектировать их на молекулярном уровне, свободно создавая желаемые структуры. Использование этих материалов открывает широкий спектр применений, включая хранение и преобразование энергии, что может внести значительный вклад в решение экологических проблем и развитие энергетических технологий нового поколения.
Исследователи из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) впервые применили квантовые вычисления для решения сложной задачи проектирования сложных МФПМ, открыв инновационный путь для разработки катализаторов нового поколения, разделительных мембран и материалов для хранения энергии.
Статья «Quantum Computing Based Design of Multivariate Porous Materials» опубликована в журнале ACS Central Science.
Профессор Джихан Ким и его исследовательская группа на кафедре химической и биомолекулярной инженерии разработали новую систему, использующую квантовый компьютер для эффективного исследования пространства проектирования миллионов МФПМ.
МФПМ — это структуры, образованные комбинацией двух или более органических лигандов (связующих) и строительных материалов, таких как металлические кластеры. Они обладают большим потенциалом для использования в энергетике и экологии. Их разнообразные композиционные комбинации позволяют проектировать и синтезировать новые структуры. Примеры включают газовую адсорбцию, разделение смешанных газов, датчики и катализаторы.
Однако с увеличением количества компонентов количество возможных комбинаций растёт экспоненциально. Невозможно спроектировать и предсказать свойства сложных структур МФПМ с помощью традиционного метода проверки каждой структуры на классическом компьютере.
Исследовательская группа представила сложную пористую структуру в виде «сети (графа), нарисованной на карте», а затем преобразовала каждую точку соединения и тип блока в кубиты, с которыми может работать квантовый компьютер. Затем они попросили квантовый компьютер решить задачу: «Какие блоки и в каком соотношении должны быть расположены для создания наиболее стабильной структуры?»
Поскольку квантовые компьютеры могут вычислять множество возможностей одновременно, это похоже на одновременное выкладывание миллионов домиков из «Лего» и быстрый выбор самого прочного из них. Это позволяет им исследовать огромное количество возможностей, которые классическому компьютеру пришлось бы вычислять по одной, с гораздо меньшими затратами ресурсов.
Исследовательская группа также провела эксперименты на четырёх различных структурах МФПМ, о которых ранее сообщалось. Результаты моделирования и квантового компьютера IBM совпали, продемонстрировав, что метод «действительно хорошо работает».
В будущем команда планирует объединить этот метод с машинным обучением, чтобы расширить его до платформы, учитывающей не только простой структурный дизайн, но и возможность синтеза, эффективность газовой адсорбции и электрохимические свойства одновременно.
Профессор Джихан Ким сказал: «Это исследование — первый случай решения проблемы проектирования сложных многофункциональных пористых материалов с помощью квантовых вычислений».
«Ожидается, что это достижение будет широко применяться в качестве технологии проектирования материалов по индивидуальному заказу в областях, где точная композиция имеет ключевое значение, таких как улавливание углерода и разделение, селективные каталитические реакции и ионно-проводящие электролиты, и в будущем его можно будет гибко расширить даже на более сложные системы».
Кандидаты наук Синёнг Кан и Ёнгхун Ким с кафедры химической и биомолекулярной инженерии участвовали в качестве соавторов в этом исследовании.
Предоставлено Корейским институтом передовых наук и технологий (KAIST).