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近日，美國量子公司PsiQuantum與梅賽德斯-奔馳(Mercedes-Benz)就量子計算改進電池技術展開合作，并發(fā)表了在容錯量子計算機上模擬鋰離子電池(LiB)中電解質(zhì)分子的一項新研究, 以實現(xiàn)電池設計上的新突破。
電動汽車的進一步普及應用，離不開充電更快、更持久高效的電池技術。但了解和改進電池化學過程需要進行分子模擬。
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目前，新型鋰離子電池的開發(fā)涉及大量試錯實驗。這一緩慢而昂貴的研發(fā)過程原則上可以通過模擬和驗證其中的新化學成分來加速。然而傳統(tǒng)的超級計算機很難模擬這些分子及反應的量子行為，量子計算機則有望克服這一技術限制。
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)材料將電荷從一個電極移動到另一個電極。改進電解質(zhì)將對各項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物質(zhì)，能夠增強電解液所提供的電池電流，就可以進一步改進和開發(fā)鋰離子電池。為了識別潛在的添加劑，需要精確地模擬它們的存在對電解質(zhì)分子的影響，但這類模擬所涉及的計算無法通過傳統(tǒng)計算機完成。
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對此，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。相關成果發(fā)表在《物理評論研究》(Physical Review Research)上，系統(tǒng)闡述了容錯量子計算如何優(yōu)化電池設計。
圖片來自《物理評論研究》(Physical Review Research)
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團隊評估了模擬前述量子計算中最大分子(就電子軌道而言)所需的物理資源。他們發(fā)現(xiàn)，這需要一臺擁有16382個邏輯量子位的量子計算機，能夠執(zhí)行包含2320億個T門（一種通用量子位門）的電路。這一技術條件目前顯然無法實現(xiàn)，因此團隊將相關應用程序編譯到一個特定的硬件架構——基于光子融合的量子計算(FBQC)。在這個架構中，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。團隊通過研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BQC無需進一步優(yōu)化，就可以在一天內(nèi)完成模擬氟碳酸乙烯對電池性能的影響。
他們還演示了一種專門用于光量子計算的交錯方法(Interleaving)，通過一種模塊化的FBQC架構，將一個RSG及其相關的融合設備和少量的光纖延遲線組合成“交錯模塊”，這一研究成果發(fā)表在arXiv.org。
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RSG被布置在一個2D平面上，不同區(qū)域負責不同的任務，圖片來自《物理評論研究》論文
前述聯(lián)合研究標志著量子計算機在實現(xiàn)高效化學模擬中的進展，并揭示了如何更好地利用容錯量子計算機以加速開發(fā)新一代電池。
“更優(yōu)質(zhì)的電池對于我們從化石燃料過渡到更加可持續(xù)的運輸及能源儲存方式來說至關重要。”PsiQuantum公司首席科學官Pete Shadbolt表示，“通過仔細考量未來容錯量子計算機的運行方式，我們已經(jīng)能夠優(yōu)化和加強量子計算機改進電池分子設計的方式。”
