研究人員利用量子計算機模擬下一代鋰硫電池

外媒報道，美國國際商用機器公司(IBM)和戴姆勒公司(Daimler AG)的研究人員，利用量子計算機，對三種含鋰分子的偶極矩進行建模，并著眼于開發下一代鋰硫電池。

鋰硫電池在運行過程中可能形成分子，比如LiH、H2S、LiSH，以及所需的Li2S產品。研究人員模擬這些分子的基態能量和偶極矩。此外，他們還首次在量子硬件上演示，要怎么樣用IBM Q Valencia(高級訪問5量子位量子計算機)中的4個量子位計算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，量子計算機的性能并不比傳統計算機更優異。任何外界干擾都會使脆弱的量子位元過早脫離量子態，而量子態關于計算來說至關緊要，因此無法進行有意義的計算。但是，它們已經在化學范疇顯示出巨大的潛力，可以精確模擬復雜的分子。在傳統計算機上，這一過程既耗時又昂貴。

到目前為止，研究人員能夠通過精確對角化(或FCI，完全組態相互作用計算)，在標準計算機上模擬出的最大化學問題，約莫蘊含22個電子和22個軌道，相當于并五苯分子中活躍空間的大小。作為參考，在約莫4096個解決器上，對并五苯進行單次FCI迭代，約莫要1.17個小時，而一次完整的計算預計要9天。關于所有較大的化學問題來說，要進行精確的計算，將是一個異常緩慢和消耗內存的過程，因此要在傳統模擬過程中引入近似方案，因為傳統模擬并不能保證所有化學問題的精確性和可承受性。值得一提的是，傳統FCI辦法所能達到的合理精確近似也在不斷提高。這是一個活躍的研究范疇，因此我們可以預期，傳統FCI計算的準確近似度也將不斷提升。

研究人員Jeannette Garcia表示：這就是量子計算機的用武之地。與研究人員試圖模擬的分子相同，量子位元本身依據量子力學定律運作。關于可以解釋其行為(如反應性)的分子，我們希望量子計算機能夠精確預測一種新分子的性質，大大加快仿真過程。研究人員利用重疊和量子糾纏的神奇屬性，為量子位元的工作原理編程，有可能以比標準計算機更有效的方式評估期待參數。

戴姆勒的研究人員希望，他們能夠利用量子計算機，進行下一代鋰硫電池的設計，因為量子計算機具有精確計算和模擬基本行為的潛力。知道分子的電子云密度分布，特別是偶極矩，關于理解電池中發生的各種現象至關緊要。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電子，并通過電子轉移萌生反應，分子的偶極矩還決定了其對外部電場的應和。因此，精確計算分子的能量和偶極矩，是一個極具概念意義的問題，并且對LiS電池的化學具有緊要適用性。要實現這一目標，要處理有關分子的薛定諤方程，關于傳統計算機來說，這是一個代價昂貴的命題，除非引入近似方案。

量子計算是處理數學問題的一種方式。與傳統計算方式相比，它在量子化學等眾多范疇潛力更大。為了給薛定諤方程供應近似但高度精確的解法，人們提出了許多啟發式辦法，特別是可變量子本征求解(VQE)。IBM研究人員已經證明，VQE可用于多種分子研究，而且準確度高。

研究人員Rice等人表示：在這些成功的激勵下，以及考慮到計算能量和靜電屬性的緊要性，在本項工作中，我們就確定LiH、H2S、LiSH和Li2S的基態能量和沿鍵拉伸的偶極矩，評估了量子算法的表現。為了確保量子硬件計算準確，研究人員還在傳統計算機上，利用IBM量子模擬器進行計算。然后，他們在IBM Q Valencia上運行這些計算，并對結果進行了比較。

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