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(fā)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(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(tǒng)計算機更優(yōu)異。任何外界干擾都會使脆弱的量子位元過早脫離量子態(tài)，而量子態(tài)對于計算來說至關(guān)重要，因此無法進行有意義的計算。但是，它們已經(jīng)在化學領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，可以精確模擬復雜的分子。在傳統(tǒng)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(tài)相互作用計算)，在標準計算機上模擬出的最大化學問題，大約包含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，在大約4096個處理器上，對并五苯進行單次FCI迭代，大約需要1.17個小時，而一次完整的計算預計需要9天。對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(nèi)存的過程，因此需要在傳統(tǒng)模擬過程中引入近似方案，因為傳統(tǒng)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(tǒng)FCI方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領(lǐng)域，因此我們可以預期，傳統(tǒng)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一樣，量子位元本身根據(jù)量子力學定律運作。對于可以解釋其行為(如反應(yīng)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(zhì)，大大加快仿真過程。研究人員利用疊加和量子糾纏的獨特屬性，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望參數(shù)。“
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(shè)計，因為量子計算機具有精確計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外部電場的響應(yīng)。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電池的化學具有重要適用性。要實現(xiàn)這一目標，需要解決有關(guān)分子的薛定諤方程，對于傳統(tǒng)計算機來說，這是一個代價昂貴的命題，除非引入近似方案。
量子計算是解決數(shù)學問題的一種方式。與傳統(tǒng)計算方式相比，它在量子化學等眾多領(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重要性，在本項工作中，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，評估了量子算法的表現(xiàn)?！盀榱舜_保量子硬件計算準確，研究人員還在傳統(tǒng)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(jié)果進行了比較。
