Vědci ve Spojených státech aplikovali kvantové výpočetní techniky ke studiu štěpení singletů – málo pochopeného jevu, který má potenciál výrazně zvýšit účinnost solárních článků. Prozatím studie odhaluje více o potenciálních aplikacích pro kvantové výpočty než pro solární články. Ale demonstrované techniky by nakonec mohly pomoci vědcům identifikovat lepší materiály pro vysoce účinné solární články.
Počítačové simulace hrají cennou roli v tom, že pomáhají vědcům identifikovat materiály s vlastnostmi, které stojí za bližší pohled. Šetření provedené v národní laboratoři Oak Ridge National Laboratory (ORNL) amerického ministerstva energetiky, které použilo výzkum materiálů pro solární články, toho poskytuje příklad. A také ilustruje, jak by bylo možné použít kvantové výpočetní techniky k simulaci ještě složitějších interakcí.
Štěpení singletů se jeví procesem, při kterém jeden foton excituje dva elektrony. Což potenciálně výrazně zvyšuje účinnost solárních článků. Pozorovalo se, že se vyskytuje v různých materiálech, ale pochopení jeho mechaniky a dosažení jednotného způsobu se zatím ukázalo jako obtížné.
,,Konvenční solární články mají teoretickou maximální účinnost asi 33 %, ale předpokládalo se, že materiály, které vykazují singletové štěpení, mohou tuto hranici překonat a mohou se stát účinnější,“ řekl Daniel Claudino, vědecký pracovník ze skupiny Quantum Computational Science společnosti ORNL. „Nevýhodou je, že je velmi těžké v podstatě pochopit, zda určitý materiál vykazuje štěpení singletu. Existuje specifický energetický požadavek a je obtížné najít materiály, které jej splňují.“
Pomocí Quantinua H1-1 – komerčně dostupného kvantového počítače umístěného v Coloradu mohla skupina vyvinout účinnou simulaci k identifikaci molekul. Ty demonstrují štěpení singletu. A ukázala, že „lineární molekula H4“ sestávající ze čtyř atomů vodíku má nezbytnou energetickou úroveň pro proces štěpení singletů. Což by podle skupiny mohlo být užitečné poznatky při vývoji účinnějších materiálů pro solární články.
Simulace se plně popsala v článku Modeling Singlet Fission on a Quantum Computer, publikovaném v The Journal of Physical Chemistry Letters.
Kvantové počítání
Cennější než skutečná zjištění v této studii je demonstrace užitečné aplikace pro kvantové výpočty – technologie, která je stále v rané fázi. Kvantové počítače jsou schopny jít nad rámec binárních jedniček a nul používaných v konvenčních počítačích. A také používat obě pozice současně. Což je činí potenciálně mnohem výkonnějšími při řešení určitých typů problémů.
Claudino říká, že štěpení singletu poskytuje skvělé řešení problému. Ten musí řešit kvantové počítače. ,,Energie štěpení singletu se točí kolem dvojitých elektronických excitací – dva elektrony se pohybují na vyšší energetické hladiny současně. Což se poměrně obtížné určuje pomocí algoritmů pro konvenční počítače,“ řekl Claudino. ,,Ale základní způsob, jakým kvantový počítač funguje, může přirozeně léčit kvantové korelace. Ty vedou k tomuto fenoménu štěpení singletu.“
Skupina přišla s několika způsoby, jak zjednodušit a optimalizovat své algoritmy pro použití v kvantovém počítači „Myšlenka je taková, že si chcete představit způsob, jak se napojit na kvantový počítač, ale pouze pro konkrétní úkoly, o kterých víme, že mohou fungovat lépe než konvenční počítače,“ řekl Claudino. „Přesto jste stále omezeni současným stavem techniky. Ten nám umožňuje buď dosáhnout určité velikosti, nebo provádět úkoly, které trvají jen tak dlouho. To je hlavní překážka při přechodu na kvantové počítače.“
Skupina říká, že její optimalizace zkrátily dobu zpracování z několika měsíců na několik týdnů. Což prokázalo životaschopnost kvantového počítání a zavedlo sadu osvědčených postupů pro použití současných systémů.
Claudino a kolegové nyní plánují přejít od štěpení singletu a zkoumat další aplikace pro kvantové výpočetní techniky, které vyvinul. Včetně zkoumání „interakce hmoty a světla“.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
