Fast simulations of X-ray absorption spectroscopy for battery materials on a quantum computer
यह शोध पत्र बैटरी सामग्रियों में एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी के अनुकरण के लिए एक अत्यधिक अनुकूलित क्वांटम एल्गोरिदम प्रस्तुत करता है, जो विशिष्ट हैमिल्टनियन निरूपणों, आइजनवैल्यू-केंद्रित त्रुटि सीमाओं और नमूना वितरण रणनीतियों का लाभ उठाता है ताकि LiMnO जैसे जटिल प्रणालियों के कुशल फॉल्ट-टोलरेंट सिमुलेशन को काफी कम संसाधन आवश्यकताओं के साथ सक्षम बनाया जा सके।
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इलेक्ट्रिक वाहनों को शक्ति देने वाली और नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने वाली बैटरियों को लगातार अधिक चार्ज रखने के लिए प्रेरित किया जा रहा है। एक आशाजनक मार्ग में लिथियम से भरपूर विशेष कैथोड सामग्रियों का उपयोग करना शामिल है, लेकिन ये सामग्रियां अक्सर जल्दी खराब हो जाती हैं, जिससे कुछ ही चार्ज चक्रों के बाद उनकी शक्ति बनाए रखने की क्षमता कम हो जाती है। यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, वैज्ञानिकों को सामग्री की परमाणु संरचना के भीतर होने वाले अदृश्य परिवर्तनों को देखने की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से यह कि परमाणु कैसे बंधते हैं और उनके उपयोग के दौरान उनकी विद्युत अवस्था क्या होती है। इस छिपी हुई दुनिया में झांकने के लिए प्राथमिक उपकरण एक तकनीक है जिसे एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (X-ray absorption spectroscopy) कहा जाता है। सामग्री पर एक्स-रे दागने से, शोधकर्ता यह माप सकते हैं कि परमाणु कितनी ऊर्जा अवशोषित करते हैं, जिससे एक अनूठा फिंगरप्रिंट बनता है जो इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं की स्थानीय व्यवस्था को प्रकट करता है। हालांकि, इस फिंगरप्रिंट को पढ़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। कच्चा डेटा जटिल है, और इसे सामग्री की स्थिति की स्पष्ट तस्वीर में अनुवाद करने के लिए, वैज्ञानिकों को विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन चलाने होते हैं। उन्नत बैटरियों में पाई जाने वाली बड़ी, जटिल अणुओं के लिए, ये सिमुलेशन इतने गणनात्मक रूप से महंगे होते हैं कि वे अक्सर बहुत अधिक समय लेते हैं या उन संसाधनों की आवश्यकता होती है जो आज के शास्त्रीय कंप्यूटरों पर उपलब्ध ही नहीं हैं।
शोधकर्ताओं ने अब एक क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करके इन सिमुलेशन को करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो एक ऐसा प्रकार का मशीन है जिसे क्वांटंत प्रणालियों की विशिष्ट जटिलता को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अपने कार्य में, उन्होंने लिथियम-अतिरेक (lithium-excess) बैटरी सामग्री का प्रतिनिधित्व करने वाले परमाणुओं के एक मॉडल क्लस्टर पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसी प्रणाली है जो वर्तमान में मानक सुपरकंप्यूटरों की पहुंच से बाहर है। सामग्री के पूरे व्यवहार के इतिहास को एक साथ सिम्युलेट करने के बजाय, जो कि पारंपरिक और महंगा दृष्टिकोण है, उन्होंने एक विधि विकसित की जो समय के साथ सिस्टम के विकास को देखती है। उन्होंने सिमुलेशन को छोटे, प्रबंधनीय चरणों में विभाजित किया, जिसमें परमाणुओं की परस्पर क्रियाओं को वर्णित करने के लिए आवश्यक जानकारी को संकुचित करने वाली एक गणितीय रणनीति का उपयोग किया गया। इसने उन्हें पहले की तुलना में बहुत कम कम्प्यूटेशनल संसाधनों का उपयोग करके एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रम का अनुकरण करने की अनुमति दी।
शोधकर्ताओं ने अपने तरीके का परीक्षण चार लिथियम परमाणुओं, दो मैंगनीज परमाणुओं और एक ऑक्सीजन परमाणु वाले एक विशिष्ट क्लस्टर पर किया, जो Li4Mn2O प्रणाली का प्रतिनिधित्व करता है। जबकि इस क्लस्टर के पूर्ण मॉडल में अठारह स्थानिक कक्षक (spatial orbitals) और बाईस इलेक्ट्रॉन शामिल हैं, वर्णित विशिष्ट सिमुलेशन ने एक छोटे सक्रिय स्थान (active space) का उपयोग किया जिसे CAS(14e,11o) लेबल किया गया है, जो दस Mn 3d कक्षकों और एक कोर O 1s कक्षक पर ध्यान केंद्रित करता है। एक शास्त्रीय सिमुलेशन में, इतने कई इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को हल करने के लिए अनगिनत संभावित अवस्थाओं की ऊर्जा की गणना करने की आवश्यकता होगी, जो एक ऐसा कार्य है जो सिस्टम के बड़ा होने पर तेजी से कठिन होता जाता है। हालांकि, नया क्वांटम एल्गोरिदम इस जटिलता के विस्फोट से बचता है। परमाणु अंतःक्रियाओं को कुशल ब्लॉकों में समूहित करने की तकनीक का उपयोग करके और यह सावधानीपूर्वक चुनकर कि सिमुलेशन चरणों को कितनी बार दोहराया जाए, उन्होंने कम्प्यूटेशनल भार को नाटकीय रूप से कम कर दिया। उन्होंने पाया कि वे केवल एक सौ लॉजिकल क्वबिट्स (logical qubits), जो क्वांटम कंप्यूटर में सूचना की मौलिक इकाइयाँ हैं, और एक सर्किट प्रति चार सौ मिलियन विशिष्ट लॉजिक गेट्स का उपयोग करके इस चुनौतीपूर्ण प्रणाली का अनुकरण कर सकते हैं। यह अनोप्टिमाइज्ड तरीकों की तुलना में पांच आदेशों (orders of magnitude) की कमी है, जो इस कार्य को भविष्य के फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम उपकरणों की पहुंच के भीतर लाता है।
अपने परिणामों की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम ने सबसे पहले अपने एल्गोरिदम को एक क्लासिकल सिम्युलेटर पर चलाया ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि यह नाइट्रोजन अणु के ज्ञात अवशोषण स्पेक्ट्रम को सही ढंग से पुनरुत्पादित कर सकता है। एक बार विधि के मान्य होने के बाद, उन्होंने इसे कम किए गए सक्रिय स्थान के साथ लिथियम-मैंगनीज-ऑक्सीजन क्लस्टर पर लागू किया। सिमुलेशन ने सफलतापूर्वक एक स्पेक्ट्रम उत्पन्न किया जो प्रणाली के अपेक्षित भौतिक व्यवहार से मेल खाता है, जिससे पुष्टि हुई कि एल्गोरिदम उन कोर-उत्तेजित अवस्थाओं (core-excited states) तक पहुंच सकता है जो एक्स-रे विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने अपने दृष्टिकोण की तुलना सर्वोत्तम उपलब्ध शास्त्रीय विधियों, जैसे कि रिस्ट्रिक्टेड एक्टिव स्पेस तकनीक से भी की। जबकि एक क्लासिकल सुपरकंप्यूटर इस विशिष्ट प्रणाली को अवस्था दर अवस्था गणना करके सप्ताहों का समय ले सकता है, उनका क्वांटम एल्गोरिदम एक काल्पनिक क्वांटम कंप्यूटर पर, जो मानक गति पर संचालित होता है, दो दिनों से कम का रनटाइम सुझाता है। यह अंतर इसलिए आता है क्योंकि क्वांटम विधि सिस्टम के आकार के साथ बहुत धीरे-धीरे बढ़ती है, जबकि शास्त्रीय विधियाँ अधिक परमाणु जोड़े जाने पर तेजी से कठिन होती जाती हैं।
इस कार्य का महत्व बेहतर बैटरियों के विकास को गति देने की इसकी क्षमता में निहित है। जटिल बैटरी सामग्रियों के एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रा का अनुकरण करना संभव बनाकर, वैज्ञानिक अंततः क्षरण (degradation) के दौरान परमाणुओं की सटीक ऑक्सीकरण अवस्थाओं का पता लगा सकते हैं। यह जानकारी इस बात को समझने की कुंजी है कि लिथियम-अतिरेक कैथोड क्यों विफल होते हैं और उन्हें कैसे ठीक किया जाए। यह पेपर बैटरी समस्या को हल करने या अभी तक इन सिमुलेशन को भौतिक क्वांटम कंप्यूटर पर चलाने का दावा नहीं करता है; बल्कि, यह प्रदर्शित करता है कि एक अत्यधिक अनुकूलित एल्गोरिदम मौजूद है जो वास्तविक संसाधन अनुमानों के साथ इस कार्य को कर सकता है। टीम ने दिखाया कि परमाणु अंतःक्रियाओं के गणित को संभालने और डेटा को सैंपल करने के तरीके को परिष्कृत करके, इन महत्वपूर्ण सिमुलेशन के लिए प्रवेश की बाधा को कम किया जा सकता है। यह क्वांटम कंप्यूटरों को न केवल सैद्धांतिक उपकरणों के रूप में, बल्कि एक सतत भविष्य के लिए आवश्यक उच्च-क्षमता वाले ऊर्जा भंडारण प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए व्यावहारिक उपकरणों के रूप में उपयोग करने का मार्ग प्रशस्त करता है।
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