Samenwerking met Shell en VU aan quantumalgoritmen voor chemie
Shell onderzoekt samen met theoretische natuurkundigen en chemici van de Universiteit Leiden hoe quantumcomputeralgoritmen complexe moleculen kunnen simuleren.
De quantumcomputer is een revolutionaire technologie, waarin de vaak niet-intuïtieve eigenschappen van de quantummechanica samengaan met informatietheorie, om bepaalde gespecialiseerde berekeningen uit te voeren op een manier die heel ánders en wellicht veel sneller is dan op gewone computers die nu beschikbaar zijn. Computationele scheikunde is een voorbeeld van zo’n toepassing, die van groot belang is voor Shells bedrijven in brandstof, chemicaliën, katalyse en nieuwe energie. Quantumcomputers met de schaal nodig voor complexe quantumchemische uitdagingen bestaan nog niet. Shell is een vijfjarige samenwerking aangegaan met de Universiteit Leiden en de Vrije Universiteit Amsterdam om vorderingen te maken op dit onderwerp, en om te verkennen hoe een quantumcomputer kan worden ingezet voor toepassingen in Shell's activiteiten.
Quantum speedup
Een gewone computer rekent met bits: nullen en enen die elektronisch worden opgeslagen. Een quantumcomputer werkt heel anders. Die is gebaseerd op de wetten van de quantummechanica, en de basiseenheid van informatie kan of 1 of 0 zijn, of een superpositie van beide tegelijkertijd. Deze ongebruikelijke eigenschap maakt het mogelijk meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren. Wiskundigen en natuurkundigen in de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw hebben laten zien dat dit principe gebruikt kan worden om de rekentijd bepaalde soorten berekeningen dramatisch terug te brengen. Dat levert een zogenaamde quantum speedup op, vergeleken met gewone computers.
Moleculen spreken de taal van de quantummechanica
Quantumcomputers zullen een critical enabler zijn om complexe chemische systemen te simuleren op een industriële schaal, zoals katalyse in de petrochemie. Nog belangrijker is het getrouw modelleren van complexe chemische processen in de basis van veel technologieën met een lage koolstof-intensiteit, zoals fotokatalyse om zonne-energie in te vangen en vast te leggen, of elektrolyse van water om groen waterstof te maken, het invangen en omzetten van CO2, en de gedeeltelijke oxidatie van methaan tot koolstof en waterstof. 'Moleculen spreken de taal van de quantummechanica, dus het is logisch dat je een quantumcomputer gebruikt als je op zoek bent naar nuttige moleculen', aldus Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Universiteit Leiden. 'Niets gaat boven de moedertaal.'
Het is nog steeds buitengewoon lastig om een quantumcomputer te bouwen en te programmeren. Duizenden wetenschappers en ingenieurs in de hele wereld, ook in Nederland (dat voorop loopt in quantumcomputers) werken eraan. Nu de eerste quantumcomputers beschikbaar komen, is er een toenemende aandacht voor de ontwikkeling van algoritmes en programma’s die erop kunnen draaien. Hierop spitst de samenwerking met Shell zich toe. 'Als theoretisch chemicus zie ik uit naar de komst van de quantumcomputer', zegt Lucas Visscher, hoogleraar aan de Vrije Universiteit Amsterdam, 'dit zou een unieke kans zijn om het gedrag van elektronen in belangrijke reacties beter te begrijpen.'
Waterstofmolecuul
Een eerste belangrijke bijdrage van deze samenwerking was de ontwikkeling van een methode om met een quantumcomputer de krachten uit te rekenen tussen de atomen in een molecuul. Als test werd het programma toepast op een simpel systeem (een waterstofmolecuul) met behulp van een quantumcomputer die collega’s uit Delft gebouwd hebben met supergeleidende elementen.
Plannen voor de toekomst zijn de uitbreiding van dit onderzoek naar eenvoudige modellen van fotochemische processen. 'Ik zie de ontwikkeling van algoritmes voor niet-adiabatische quantumdynamica als een toepassing waar quantumcomputers spoedig de huidige beperkingen kunnen overwinnen in de beschrijving van belangrijke fotochemische processen die bijvoorbeeld een rol spelen in het gezichtsvermogen', aldus Francesco Buda, scheikundige aan de Universiteit Leiden.
Zakelijke waarde
Bij al deze studies ligt de nadruk op de vergelijking van nauwkeurigheid, snelheid en kosten met bestaande methodes voor chemische berekeningen op gewone computers. Zo kan de praktische waarde worden bepaald van quantumtechnologie in vergelijking met klassieke computers. 'Het is niet een puur-academische studie, we willen de potentiële zakelijke waarde van een quantumcomputer leren kennen, en leren hoe we die kunnen benutten', aldus Detlef Hohl, Chief Scientist for Computational and Data Science bij Shell.
'Op dit moment is de zakelijke waarde nihil, omdat er geen nuttige berekening is die beter, sneller of goedkoper op een quantumcomputer kan worden uitgevoerd dan op een gewone computer. Maar dat zou best eens drastisch kunnen veranderen. Shell doet R&D die het bedrijf voorbereidt op de toekomst. Hieronder valt de ontwikkeling van technologie die het mogelijk zal maken dat Shell uiterlijk in 2050 het doel van nul-CO2-emissie haalt.
'Shell ondersteunt al tientallen jaren onderzoek in Nederland en deze samenwerking is een voorbeeld van onze grote betrokkenheid in het Nederlandse ecosysteem voor onderzoek en ontwikkeling.'
