研究人员利用量子计算机模拟下一代锂硫电池

（图源：IBM官网）

据外媒报道，美国国际商用机器公司（IBM）和戴姆勒公司（Daimler AG）的研究人员，利用量子计算机，对三种含锂分子的偶极矩进行建模，并着眼于开发下一代锂硫电池。

锂硫电池在运行过程中可能形成分子，比如LiH、H2S、LiSH，以及所需的Li2S产品。研究人员模拟这些分子的基态能量和偶极矩。此外，他们还首次在量子硬件上演示，如何用IBM Q Valencia（高级访问5量子位量子计算机）中的4个量子位计算LiH的偶极矩。

IBM阿尔马登研究中心（IBM Almaden Research Center）的研究人员Jeannette Garcia指出，量子计算机的性能并不比传统计算机更优异。任何外界干扰都会使脆弱的量子位元过早脱离量子态，而量子态对于计算来说至关重要，因此无法进行有意义的计算。但是，它们已经在化学领域显示出巨大的潜力，可以精确模拟复杂的分子。在传统计算机上，这一过程既耗时又昂贵。

到目前为止，研究人员能够通过精确对角化（或FCI，完全组态相互作用计算），在标准计算机上模拟出的最大化学问题，大约包含22个电子和22个轨道，相当于并五苯分子中活跃空间的大小。作为参考，在大约4096个处理器上，对并五苯进行单次FCI迭代，大约需要1.17个小时，而一次完整的计算预计需要9天。对于所有较大的化学问题来说，要进行精确的计算，将是一个异常缓慢和消耗内存的过程，因此需要在传统模拟过程中引入近似方案，因为传统模拟并不能保证所有化学问题的精确性和可承受性。值得一提的是，传统FCI方法所能达到的合理精确近似也在不断提高。这是一个活跃的研究领域，因此我们可以预期，传统FCI计算的准确近似度也将不断提升。

研究人员Jeannette Garcia表示：“这就是量子计算机的用武之地。与研究人员试图模拟的分子一样，量子位元本身根据量子力学定律运作。对于可以解释其行为（如反应性）的分子，我们希望量子计算机能够精确预测一种新分子的性质，大大加快仿真过程。研究人员利用叠加和量子纠缠的独特属性，为量子位元的工作原理编程，有可能以比标准计算机更有效的方式评估期望参数。“

戴姆勒的研究人员希望，他们能够利用量子计算机，进行下一代锂硫电池的设计，因为量子计算机具有精确计算和模拟基本行为的潜力。了解分子的电子云密度分布，特别是偶极矩，对于理解电池中发生的各种现象至关重要。通常情况下，高极性分子很容易吸引或排斥其他化合物的价电子，并通过电子转移产生反应，分子的偶极矩还决定了其对外部电场的响应。因此，精确计算分子的能量和偶极矩，是一个极具概念意义的问题，并且对LiS电池的化学具有重要适用性。要实现这一目标，需要解决有关分子的薛定谔方程，对于传统计算机来说，这是一个代价昂贵的命题，除非引入近似方案。

量子计算是解决数学问题的一种方式。与传统计算方式相比，它在量子化学等众多领域潜力更大。为了给薛定谔方程提供近似但高度精确的解法，人们提出了许多启发式方法，特别是可变量子本征求解（VQE）。IBM研究人员已经证明，VQE可用于多种分子研究，而且准确度高。

研究人员Rice等人表示：”在这些成功的激励下，以及考虑到计算能量和静电属性的重要性，在本项工作中，我们就确定LiH、H2S、LiSH和Li2S的基态能量和沿键拉伸的偶极矩，评估了量子算法的表现。“为了确保量子硬件计算准确，研究人员还在传统计算机上，利用IBM量子模拟器进行计算。然后，他们在IBM Q Valencia上运行这些计算，并对结果进行了比较。