Квантовые компьютеры помогли создать пористые материалы по принципу Lego

Графическая абстракция. Автор: ACS Central Science (2025). DOI: 10.1021/acscentsci.5c00918

Многовариантные пористые материалы (MTV) похожи на «набор кубиков Lego», позволяя настраивать дизайн на молекулярном уровне для свободного создания желаемых структур. Использование этих материалов открывает широкий спектр применений, включая хранение и преобразование энергии, что может значительно способствовать решению экологических проблем и развитию технологий следующего поколения.

Исследователи из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) впервые применили квантовые вычисления для решения сложной задачи проектирования сложных MTV, открыв инновационный путь для разработки катализаторов нового поколения, сепарационных мембран и материалов для хранения энергии.

Статья «Проектирование многовариантных пористых материалов на основе квантовых вычислений» опубликована в журнале ACS Central Science.

Исследовательская группа профессора Джихана Кима из университетского Департамента химической и биомолекулярной инженерии разработала новую структуру, которая использует квантовый компьютер для эффективного исследования пространства проектирования миллионов MTV.

MTV пористые материалы — это структуры, образованные комбинацией двух или более органических лигандов (линкеров) и материалов строительных блоков, таких как металлические кластеры. Они обладают большим потенциалом для использования в энергетической и экологической сферах. Их разнообразные композиционные комбинации позволяют проектировать и синтезировать новые структуры. Примеры включают адсорбцию газа, разделение смешанных газов, датчики и катализаторы.

Однако по мере увеличения числа компонентов количество возможных комбинаций растет экспоненциально. Было невозможно спроектировать и предсказать свойства сложных структур MTV с использованием традиционного метода проверки каждой отдельной структуры на классическом компьютере.

Исследовательская группа представила сложную пористую структуру как «сеть (граф), нарисованную 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 проблему: «Какие блоки должны быть расположены в каком соотношении, чтобы создать наиболее стабильную структуру?»

Поскольку квантовые компьютеры могут вычислять несколько возможностей одновременно, это похоже на то, как если бы миллионы Lego-домов были разложены сразу и быстро выбраны самые прочные. Это позволяет исследовать огромное количество возможностей — которые классический компьютер должен был бы вычислять по одной — с гораздо меньшими ресурсами.

Исследовательская группа также провела эксперименты на четырех различных структурах MTV, о которых ранее сообщалось. Результаты моделирования и квантового компьютера IBM были идентичны, что демонстрирует, что метод «действительно хорошо работает».

В будущем команда планирует объединить этот метод с машинным обучением, чтобы расширить его до платформы, которая учитывает не только простой структурный дизайн, но и возможность синтеза, производительность адсорбции газа и электрохимические свойства одновременно.

Профессор Джихан Ким сказал: «Это исследование является первым случаем решения узкого места сложного проектирования многовариантных пористых материалов с использованием квантовых вычислений.

«Ожидается, что это достижение будет широко применяться в качестве технологии индивидуального проектирования материалов в областях, где точный состав является ключевым, таких как улавливание и разделение углерода, селективные каталитические реакции и ионопроводящие электролиты, и оно может быть гибко расширено до еще более сложных систем в будущем».

Кандидаты наук Синён Кан и Ёнхун Ким из Департамента химической и биомолекулярной инженерии участвовали в этом исследовании в качестве соавторов.

Больше информации: Shinyoung Kang et al, Quantum Computing Based Design of Multivariate Porous Materials, ACS Central Science (2025). DOI: 10.1021/acscentsci.5c00918

Источник: The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)