(文章來源:蓋世汽車網)
據外媒報道,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,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,而量子態對于計算來說至關重要,因此無法進行有意義的計算。但是,它們已經在化學領域顯示出巨大的潛力,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,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存的過程,因此需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域,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一樣,量子位元本身根據量子力學定律運作。對于可以解釋其行為(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。“
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。了解分子的電子云密度分布,特別是偶極矩,對于理解電池中發生的各種現象至關重要。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,并通過電子轉移產生反應,分子的偶極矩還決定了其對外部電場的響應。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。要實現這一目標,需要解決有關分子的薛定諤方程,對于傳統計算機來說,這是一個代價昂貴的命題,除非引入近似方案。
量子計算是解決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領域潛力更大。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式方法,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重要性,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。
(責任編輯:fqj)
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