福特利用量子计算机探索电动汽车电池材料

福特的量子研究人员刚刚发表了一项新的预印本研究，该研究使用量子计算机模拟了关键的电动汽车 (EV) 电池材料。虽然结果没有揭示有关锂离子电池的任何新东西，但它们展示了未来如何使用更强大的量子计算机来准确模拟复杂的化学反应。

为了用计算机发现和测试新材料，研究人员必须将这一过程分解为许多单独的计算：一组计算每个分子的所有相关属性，另一组计算这些属性如何受到温度波动等最小环境变化的影响，还有一组计算任何两个分子相互作用的所有可能方式，等等。即使是像两个氢分子键合这样听起来简单的事情也需要非常深入的计算。

但使用计算机开发材料具有巨大的优势：研究人员不必亲自进行每一项可能的实验，因为这可能非常耗时。人工智能和机器学习等工具已经能够加快开发新材料的研究进程，但量子计算有可能使其更快。对于电动汽车来说，找到更好的材料可以带来更长的使用寿命、更快的充电速度和更强大的电池。

传统计算机使用二进制位（可以是 0 或 1）来执行所有计算。虽然它们能够完成令人难以置信的事情，但有些问题，比如高精度分子建模，它们根本无力处理——而且由于涉及的计算种类繁多，可能永远都无法处理。一旦研究人员建模的原子数量超过几个，计算量就会变得太大、太耗时，因此他们不得不依赖近似值，这会降低模拟的准确性。

量子计算机不使用常规比特，而是使用可以为零、一或同时为零和一的量子比特。量子比特还可以通过其他疯狂的量子方式进行纠缠、旋转和操纵，以携带更多信息。这使它们能够解决传统计算机无法解决的问题，包括准确模拟分子反应。此外，分子本质上是量子的，因此可以更准确地映射到以波形表示的量子比特上。

不幸的是，其中很多仍处于理论阶段。量子计算机还不够强大或可靠，无法广泛实现商业可行性。此外，还存在知识差距——因为量子计算机的运行方式与传统计算机完全不同，研究人员仍需要学习如何最好地利用它们。

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这正是福特研究的用武之地。福特对制造更安全、能量密度更高、更易于回收的电池很感兴趣。要做到这一点，他们必须了解潜在新材料的化学性质，如充电和放电机制，以及电化学和热稳定性。

该团队希望计算 LiCoO2 的基态能量（或正常原子能态），LiCoO2 是一种可用于锂离子电池的材料。他们使用一种称为变分量子本征求解器 (VQE) 的算法来模拟 Li2​​Co2O4 和 Co2O4 气相模型（基本上是最简单的化学反应形式），这些模型代表电池的充电和放电。VQE 使用混合量子经典方法，量子计算机（在本例中为 IBM 状态向量模拟器中的 20 个量子位）仅用于解决分子模拟中受益于其独特属性的部分。其他一切都由传统计算机处理。

由于这是量子计算的概念验证，该团队使用 VQE 测试了三种方法：酉耦合簇单双核 (UCCSD)、酉耦合簇广义单双核 (UCCGSD) 和 k-酉对耦合簇广义单双核 (k-UpCCGSD)。除了比较定量结果外，他们还将准确执行计算所需的量子资源与基于波函数的经典方法进行了比较。他们发现 k-UpCCGSD 以更低的成本产生了与 UCCSD 相似的结果，并且 VQE 方法的结果与使用经典方法（如耦合簇单双核 (CCSD) 和完全主动空间配置相互作用 (CASCI)）获得的结果一致。

尽管目前还没有完全实现，但研究人员得出结论，基于量子的计算化学将在近期问世的量子计算机上发挥“重要作用，有助于找到能够增强电池性能和稳定性的潜在材料”。虽然他们使用的是 20 量子比特的模拟器，但他们认为，需要 400 量子比特的量子计算机（即将面世）才能完全模拟他们考虑的 Li2Co2O4 和 Co2O4 系统。

所有这些都是福特试图成为一家占主导地位的电动汽车制造商的一部分。像 F-150 Lightning 这样的卡车突破了当前电池技术的极限，因此随着世界逐渐放弃燃气汽车，进一步的进步（可能借助量子化学）将变得越来越必要。福特并不是唯一一家考虑使用量子技术在电池化学领域取得领先地位的公司。IBM 还与梅赛德斯和三菱合作，利用量子计算机重新发明电动汽车电池。