澎湃新聞?dòng)浾?王蕙蓉

近日，美國(guó)量子公司PsiQuantum與梅賽德斯-奔馳(Mercedes-Benz)就量子計(jì)算改進(jìn)電池技術(shù)展開合作，并發(fā)表了在容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)上模擬鋰離子電池(LiB)中電解質(zhì)分子的一項(xiàng)新研究, 以實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)上的新突破。

電動(dòng)汽車的進(jìn)一步普及應(yīng)用，離不開充電更快、更持久高效的電池技術(shù)。但了解和改進(jìn)電池化學(xué)過程需要進(jìn)行分子模擬。

目前，新型鋰離子電池的開發(fā)涉及大量試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。這一緩慢而昂貴的研發(fā)過程原則上可以通過模擬和驗(yàn)證其中的新化學(xué)成分來加速。然而傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)很難模擬這些分子及反應(yīng)的量子行為，量子計(jì)算機(jī)則有望克服這一技術(shù)限制。

現(xiàn)代鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中，通過液態(tài)電解質(zhì)材料將電荷從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極。改進(jìn)電解質(zhì)將對(duì)各項(xiàng)電池性能具有重要影響，包括能量密度（即電池效率）、充電速度、電池壽命、成本和安全性等。如果找到一種添加劑化學(xué)物質(zhì)，能夠增強(qiáng)電解液所提供的電池電流，就可以進(jìn)一步改進(jìn)和開發(fā)鋰離子電池。為了識(shí)別潛在的添加劑，需要精確地模擬它們的存在對(duì)電解質(zhì)分子的影響，但這類模擬所涉及的計(jì)算無法通過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成。

對(duì)此，PsiQuantum公司與奔馳開展合作，研究用于模擬常用電解質(zhì)添加劑氟乙烯碳酸酯(fluoroethylene carbonate)效果的量子算法。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論研究》(Physical Review Research)上，系統(tǒng)闡述了容錯(cuò)量子計(jì)算如何優(yōu)化電池設(shè)計(jì)。

圖片來自《物理評(píng)論研究》(Physical Review Research)

團(tuán)隊(duì)評(píng)估了模擬前述量子計(jì)算中最大分子(就電子軌道而言)所需的物理資源。他們發(fā)現(xiàn)，這需要一臺(tái)擁有16382個(gè)邏輯量子位的量子計(jì)算機(jī)，能夠執(zhí)行包含2320億個(gè)T門（一種通用量子位門）的電路。這一技術(shù)條件目前顯然無法實(shí)現(xiàn)，因此團(tuán)隊(duì)將相關(guān)應(yīng)用程序編譯到一個(gè)特定的硬件架構(gòu)——基于光子融合的量子計(jì)算(FBQC)。在這個(gè)架構(gòu)中，基本的硬件單元是資源狀態(tài)發(fā)生器(RSGs)，一種可以根據(jù)需要產(chǎn)生小型糾纏光子集合的硅光子器件。團(tuán)隊(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BQC無需進(jìn)一步優(yōu)化，就可以在一天內(nèi)完成模擬氟碳酸乙烯對(duì)電池性能的影響。

他們還演示了一種專門用于光量子計(jì)算的交錯(cuò)方法(Interleaving)，通過一種模塊化的FBQC架構(gòu)，將一個(gè)RSG及其相關(guān)的融合設(shè)備和少量的光纖延遲線組合成“交錯(cuò)模塊”，這一研究成果發(fā)表在arXiv.org。

RSG被布置在一個(gè)2D平面上，不同區(qū)域負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，圖片來自《物理評(píng)論研究》論文

前述聯(lián)合研究標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)高效化學(xué)模擬中的進(jìn)展，并揭示了如何更好地利用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)以加速開發(fā)新一代電池。

“更優(yōu)質(zhì)的電池對(duì)于我們從化石燃料過渡到更加可持續(xù)的運(yùn)輸及能源儲(chǔ)存方式來說至關(guān)重要?！盤siQuantum公司首席科學(xué)官Pete Shadbolt表示，“通過仔細(xì)考量未來容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式，我們已經(jīng)能夠優(yōu)化和加強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)改進(jìn)電池分子設(shè)計(jì)的方式。”

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