Quantum Simulations for Hydrogen Storage in Boron Nitride Nanomaterials: Optimization using VQE

Abstract

This thesis explores the application of the Variational Quantum Eigensolver (VQE) algorithm to investigate hydrogen storage in defective hexagonal boron nitride (h-BN) nanostructures. We systematically study carbon-substituted defects (CB, CN, and CBCN pairs) using a hybrid quantum–classical approach. Our VQE calculations achieve chemical accuracy (error < 0.043 eV) for systems of up to 12 qubits, validated against CCSD(T) reference calculations. We demonstrate that CBCN defect pairs provide optimal hydrogen binding energies (−0.24 eV), making them suitable for room-temperature hydrogen storage, with predicted storage capacities of up to 3.2 wt% at 298 K and 100 bar. These results provide practical design guidelines for defect-engineered h-BN materials aimed at sustainable hydrogen storage. ------------------------------------------------------------------------- أستكشف هذه الأطروحة تطبيق خوارزميات القيم الذاتية الككية المتغيرة(EQV)لدراسة تخزين الهيدروجين في هياكل نانوية من نيتريد البورون(NB- التي تحتوي على عيوب cᅪكنا بدراسة منبجية لعيوب اJاستبدال بالكربونCB)،CN وأزواج (CBCN باستخدام مقاربة مجينة كومية--كلاسيكية جمع بين قدرة ال!غثيل العالية لمرتكୋت»العنقود المقترن الوحدوي« ومتانة الدوائر المتكيفة مع العتاد في مواجهة الضجيج تحقق حسابات EQVلدي ਍ادقة كيميائية )خطأ أقل من0.043إللكترون فولتJ) أنظمة تصل إلى 12 كيوبت، وقد تم التحقق من صحتها بالمقارنة مع حسابات c(T)DSCC نُظهر أن أزواجCBCN توفر طاقات ارتباط مثلى−0.24)إللكترونفولت( مناسبة للتخزين في درجة حرارة الغرفة، مع سعات متوقعة تصل إلى3.2Wوزني عند298كلفن و100بار يتضمن تحليل مفصل للأఋداء دراسة تقنيات تخفيف اJلأخطاء EN£)، CEP، وتصحيح القياسات( وقابلية التوسع الحسابي، مما يكشف أن التفوق الككي قد يظهر في الأنظمة التي تتطلب معالجة ترابط عالية الدقة،حيث تصبح الطرق الكلاسيكية غير مكلية تقدم النتائج إرشادات تصميم ملموسة لمواد NB-hالمهندسة بالعيوب من أجل تخزين مستدام للهيدروجين ---------------------------------------------------------------------- Cette thèse explore l'application des algorithmes Variational Quantum Eigensolver (VQE) pour étudier le stockage de l'hydrogène dans des nanostructures de nitrure de bore défectueuses (h-BN). Nous étudions systématiquement les défauts substitués par du carbone (paires CB, CN et CBCN) en utilisant une approche hybride quantique-classique. Nos calculs VQE atteignent une précision chimique (erreur < 0,043 eV) pour des systèmes allant jusqu'à 12 qubits, validés par rapport aux références CCSD(T). Nous montrons que les paires CBCN fournissent des énergies de liaison à l'hydrogène optimales (−0,24 eV) adaptées au stockage à température ambiante, avec des capacités prédites allant jusqu'à 3,2 % en poids à 298 K et 100 bar. Les résultats fournissent des directives de conception concrètes pour les matériaux h-BN modifiés par défaut en vue d'un stockage durable de l'hydrogène.