研究人員利用量子計(jì)算機(jī)來模擬下一代鋰硫電池

（文章來源：蓋世汽車網(wǎng)）

據(jù)外媒報(bào)道，美國國際商用機(jī)器公司(IBM)和戴姆勒公司(Daimler AG)的研究人員，利用量子計(jì)算機(jī)，對(duì)三種含鋰分子的偶極矩進(jìn)行建模，并著眼于開發(fā)下一代鋰硫電池。

鋰硫電池在運(yùn)行過程中可能形成分子，比如LiH、H2S、LiSH，以及所需的Li2S產(chǎn)品。研究人員模擬這些分子的基態(tài)能量和偶極矩。此外，他們還首次在量子硬件上演示，如何用IBM Q Valencia(高級(jí)訪問5量子位量子計(jì)算機(jī))中的4個(gè)量子位計(jì)算LiH的偶極矩。

IBM阿爾馬登研究中心(IBM Almaden Research Center)的研究人員Jeannette Garcia指出，量子計(jì)算機(jī)的性能并不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更優(yōu)異。任何外界干擾都會(huì)使脆弱的量子位元過早脫離量子態(tài)，而量子態(tài)對(duì)于計(jì)算來說至關(guān)重要，因此無法進(jìn)行有意義的計(jì)算。但是，它們已經(jīng)在化學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，可以精確模擬復(fù)雜的分子。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，這一過程既耗時(shí)又昂貴。

到目前為止，研究人員能夠通過精確對(duì)角化(或FCI，完全組態(tài)相互作用計(jì)算)，在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上模擬出的最大化學(xué)問題，大約包含22個(gè)電子和22個(gè)軌道，相當(dāng)于并五苯分子中活躍空間的大小。作為參考，在大約4096個(gè)處理器上，對(duì)并五苯進(jìn)行單次FCI迭代，大約需要1.17個(gè)小時(shí)，而一次完整的計(jì)算預(yù)計(jì)需要9天。

對(duì)于所有較大的化學(xué)問題來說，要進(jìn)行精確的計(jì)算，將是一個(gè)異常緩慢和消耗內(nèi)存的過程，因此需要在傳統(tǒng)模擬過程中引入近似方案，因?yàn)閭鹘y(tǒng)模擬并不能保證所有化學(xué)問題的精確性和可承受性。值得一提的是，傳統(tǒng)FCI方法所能達(dá)到的合理精確近似也在不斷提高。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，因此我們可以預(yù)期，傳統(tǒng)FCI計(jì)算的準(zhǔn)確近似度也將不斷提升。

研究人員Jeannette Garcia表示：“這就是量子計(jì)算機(jī)的用武之地。與研究人員試圖模擬的分子一樣，量子位元本身根據(jù)量子力學(xué)定律運(yùn)作。對(duì)于可以解釋其行為(如反應(yīng)性)的分子，我們希望量子計(jì)算機(jī)能夠精確預(yù)測一種新分子的性質(zhì)，大大加快仿真過程。研究人員利用疊加和量子糾纏的獨(dú)特屬性，為量子位元的工作原理編程，有可能以比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)更有效的方式評(píng)估期望參數(shù)。“

戴姆勒的研究人員希望，他們能夠利用量子計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下一代鋰硫電池的設(shè)計(jì)，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)具有精確計(jì)算和模擬基本行為的潛力。了解分子的電子云密度分布，特別是偶極矩，對(duì)于理解電池中發(fā)生的各種現(xiàn)象至關(guān)重要。通常情況下，高極性分子很容易吸引或排斥其他化合物的價(jià)電子，并通過電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生反應(yīng)，分子的偶極矩還決定了其對(duì)外部電場的響應(yīng)。因此，精確計(jì)算分子的能量和偶極矩，是一個(gè)極具概念意義的問題，并且對(duì)LiS電池的化學(xué)具有重要適用性。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決有關(guān)分子的薛定諤方程，對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說，這是一個(gè)代價(jià)昂貴的命題，除非引入近似方案。

量子計(jì)算是解決數(shù)學(xué)問題的一種方式。與傳統(tǒng)計(jì)算方式相比，它在量子化學(xué)等眾多領(lǐng)域潛力更大。為了給薛定諤方程提供近似但高度精確的解法，人們提出了許多啟發(fā)式方法，特別是可變量子本征求解(VQE)。IBM研究人員已經(jīng)證明，VQE可用于多種分子研究，而且準(zhǔn)確度高。

研究人員Rice等人表示：”在這些成功的激勵(lì)下，以及考慮到計(jì)算能量和靜電屬性的重要性，在本項(xiàng)工作中，我們就確定LiH、H2S、LiSH和Li2S的基態(tài)能量和沿鍵拉伸的偶極矩，評(píng)估了量子算法的表現(xiàn)?！盀榱舜_保量子硬件計(jì)算準(zhǔn)確，研究人員還在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，利用IBM量子模擬器進(jìn)行計(jì)算。然后，他們在IBM Q Valencia上運(yùn)行這些計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。
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