量子計(jì)算的巨大潛力正被應(yīng)用于一個(gè)關(guān)鍵的儲(chǔ)能問題：改進(jìn)電池模擬模型，這有助于加速研究更安全、更高效的儲(chǔ)能以及用于電動(dòng)汽車和其他消費(fèi)應(yīng)用的新電池材料。

量子計(jì)算算法開發(fā)商Cambridge Quantum Computing正在與德國航空航天中心合作，研究如何使用量子機(jī)器來提高電池模擬的保真度。量子算法被應(yīng)用于求解偏微分方程，呈現(xiàn)鋰離子電池的初始一維模擬。

處理后，機(jī)器學(xué)習(xí)框架為渲染全 3D 電池模擬提供了基礎(chǔ)，這些模擬可以在“嘈雜的中型量子”計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。這家德國研究中心表示將在 IBM Q 量子機(jī)器上運(yùn)行其量子模擬。

Cambridge Quantum 機(jī)器學(xué)習(xí)和量子算法主管馬蒂亞·菲奧倫蒂尼 (Mattia Fiorentini) 表示：“我們希望提高 [鋰離子] 電池的性能，這意味著它們可以在不影響安全性的情況下存儲(chǔ)多少能量?！?/p>

該研究還解決了電池耐用性和供應(yīng)鏈問題，例如減少對(duì)商業(yè)電池中使用的鋰的依賴。研究還可以側(cè)重于替代電池材料，如豐富的高能鋅。

3D 電池模擬模型還為新興的量子計(jì)算平臺(tái)提供了一個(gè)新的用例，包括像 IBM 的 Q 這樣的嘈雜系統(tǒng)。這些平臺(tái)正在通過像劍橋量子這樣的機(jī)器學(xué)習(xí)算法得到增強(qiáng)。合作伙伴表示，這種組合將為高分辨率、多尺度模擬模型奠定基礎(chǔ)，包括對(duì)整個(gè)電池的模擬。

“硬件會(huì)變得更好，”Fiorentini 在接受采訪時(shí)說。

劍橋量子的馬蒂亞·費(fèi)奧倫蒂尼

除了求解與模擬模型相關(guān)的偏微分方程外，量子計(jì)算還可用于通過在量子計(jì)算機(jī)上編碼信息來描述完整系統(tǒng)?！斑@非常有用，”Fiorentini 補(bǔ)充道。

“與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以做得更好，”他說。“在與德國航空航天中心的合作中，我們希望首先證明描述電池的數(shù)學(xué)問題可以通過量子計(jì)算機(jī)解決?！?佛羅倫薩有信心他們可以。

“我們的目標(biāo)是試圖證明類似于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的東西，即找到電池的一個(gè)方面或電池的特定設(shè)計(jì)……我們可以證明 [量子計(jì)算機(jī)] 具有優(yōu)勢。”

因此，合作的目標(biāo)是使用基于量子的機(jī)器來模擬整個(gè)電池系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的模型將提供電池性能的詳細(xì)概況，同時(shí)還可用于關(guān)注電池設(shè)計(jì)的特定方面。

這將使研究人員能夠“調(diào)整和改進(jìn)電池的各個(gè)方面”，包括新材料的快速原型制作和評(píng)估它們的行為。Fiorentini 說，這開啟了加速評(píng)估性能特征的可能性，例如可以安全存儲(chǔ)的能量密度、毒性、耐用性和在更長的時(shí)間內(nèi)測量的電池行為。

德國中心的航空航天研究人員此前曾使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)建模來研究一系列不同的電池類型，包括鋰離子和鋅薄膜等“超越鋰技術(shù)”。

最新的合作展示了量子計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)在解決能源存儲(chǔ)和電池安全等關(guān)鍵領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)問題方面的發(fā)展。該研究中心在宣布與劍橋量子計(jì)算公司合作時(shí)表示：“這是最早將偏微分方程模型用于電池模擬和近期量子計(jì)算相結(jié)合的作品之一?！?/p>

Fiorentini 表示，此次合作將有助于加速量子計(jì)算從理論工具向計(jì)算平臺(tái)的轉(zhuǎn)變，在 3D 模擬建模等領(lǐng)域提供關(guān)鍵優(yōu)勢。隨著量子計(jì)算的發(fā)展，他總結(jié)道：“我們需要打一場持久戰(zhàn)。”

審核編輯 黃昊宇