福特汽車公司的量子研究小組與量子計(jì)算公司Quantinuum合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究，研究的主要內(nèi)容是：量子計(jì)算機(jī)能否用于模擬化學(xué)新材料，使未來的電動汽車電池更安全、能量密度更高、更容易回收？他們調(diào)查了量子計(jì)算機(jī)的使用情況，以模擬下一代電動汽車電池的材料。最近，他們發(fā)布了研究結(jié)果。

從模擬到量子計(jì)算

鋰離子電池是化學(xué)儲能設(shè)備，目前是電動汽車的主要能源。電動汽車在全球的使用率正快速增長（見圖1），急需尋找為下一代汽車提供動力的能源。電池化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展不僅需要增加電池續(xù)航里程，而且要具備汽油動力車輛的所有性能、舒適性和用戶體驗(yàn)功能。還需要不同的化學(xué)電池類型，從而在基本電池組件的預(yù)期需求和供應(yīng)之間取得平衡。

電動汽車制造商已經(jīng)認(rèn)識到，如果要推進(jìn)電池技術(shù)的發(fā)展，就需要提高電池材料的密度、功率、生命周期、安全性、成本，最重要的是提高可回收性。使用量子計(jì)算，可以分析充電、放電機(jī)制、電化學(xué)和熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)相變和表面行為，這對于找到可以提高電池性能和魯棒性的合適材料至關(guān)重要。

福特的量子研究人員正在尋找模擬鋰離子電池化學(xué)性能的新方法。相關(guān)研究小組被稱為Core AI-ML-QC團(tuán)隊(duì)，由Devesh Upadhyay領(lǐng)導(dǎo)，包括量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家、理論化學(xué)家和計(jì)算建模專家Marwa H. Farag以及物理學(xué)家Joydip Ghosh。Farag和Ghosh是一篇新科學(xué)論文的作者，該論文描述了基于量子計(jì)算（QC）的復(fù)雜化學(xué)建模方法。

當(dāng)今大多數(shù)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法對真實(shí)世界的復(fù)雜分子進(jìn)行極其精確的模擬，這是由于計(jì)算量隨著系統(tǒng)大小呈指數(shù)級增長。而量子計(jì)算機(jī)可以克服這個問題，因?yàn)樗杀稊U(kuò)展了計(jì)算能力。

使用量子計(jì)算機(jī)探索新材料的特性具有明顯的優(yōu)勢。與進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)相比，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等工具已經(jīng)加快了開發(fā)新材料的研究過程，但量子計(jì)算可以節(jié)省更多時間。相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)可以在更大的范圍內(nèi)操縱數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

福特團(tuán)隊(duì)希望使用量子計(jì)算機(jī)尋找改進(jìn)的材料，加速電動汽車電池的開發(fā)，使之具有更高的功率、更短的充電時間和更長的壽命。

Farag和Ghosh使用量子計(jì)算機(jī)研究了鋰離子化學(xué)電池。更具體地說，這兩位科學(xué)家使用了變分量子特征求解器（VQE），這種算法用于查找LiCoO 2的基態(tài)能量（或正常原子能態(tài)），LiCoO 2是一種用于電池陰極的候選過渡金屬氧化物。VQE混合量子經(jīng)典方法用于當(dāng)前一代量子計(jì)算機(jī)，用于求解分子系統(tǒng)中從量子計(jì)算中受益最大的部分，其余計(jì)算在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。

科學(xué)家們使用VQE技術(shù)模擬了Li2Co2O4 和Co2O4氣相模型（見圖2），這些模型反映了電池的充電和放電。與VQE混合量子經(jīng)典方法一致，量子計(jì)算機(jī)僅用于解決分子模擬中那些將從其獨(dú)特性能中受益最大的部分。其他一切都由基于傳統(tǒng)架構(gòu)的計(jì)算機(jī)處理。

該團(tuán)隊(duì)用VQE嘗試了三種方法：第一種方法叫酉耦合簇單打和雙打（UCCSD），第二種方法叫酉耦合簇廣義單打和雙打（UCCGSD），第三種方法叫k-酉對耦合簇廣義單打和雙打（k-UpCCGSD）。

研究人員將定量結(jié)果以及精確計(jì)算所需的量子資源與基于波函數(shù)的經(jīng)典方法進(jìn)行了對比。發(fā)現(xiàn)VQE方法的結(jié)果與傳統(tǒng)方法的結(jié)果一致：耦合簇單打和雙打（CCSD）與完全主動空間配置交互（CASCI），以及k-UpCCGSD產(chǎn)生的結(jié)果與UCCSD相似，但成本更低。

這些計(jì)算都是在具有20個量子比特的狀態(tài)向量模擬器上進(jìn)行的，隨著量子硬件的成熟，要模擬大尺寸的強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)，將需要一臺400個量子比特的量子計(jì)算機(jī)，以提供更多解析。

Quantinuum的InQuanto

Quantinuum的InQuanto量子化學(xué)平臺及其H系列離子阱量子硬件用于執(zhí)行研究團(tuán)隊(duì)的混合方法（在量子和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的VQE算法），涉及到與電池研究直接相關(guān)的分子。

InQuanto的一個突出優(yōu)點(diǎn)是，它的用戶界面易于操作，即使是以前從未使用過量子系統(tǒng)的計(jì)算化學(xué)家也可以使用。2021年，福特研究人員首次使用InQuanto作為一部分beta測試計(jì)劃。當(dāng)該平臺于 2022年5月正式發(fā)布時，福特公司就已經(jīng)是它的合作伙伴。

在他們的研究中，F(xiàn)arag和Ghosh得出的結(jié)論是：計(jì)算化學(xué)可以解析充電、放電機(jī)制、電化學(xué)和熱穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)相變和表面行為，并且對于尋找可以增強(qiáng)電池性能和魯棒性的潛在材料起著至關(guān)重要的作用。

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。