容错量子计算改进锂离子电池技术实现新突破

近日，美国量子公司PsiQuantum与梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）就量子计算改进电池技术展开合作，并发表了一项在容错量子计算机基础上的模拟锂离子电池（LiB）中电解质分子的新研究，以实现电池设计上的新突破。

目前，新型锂离子电池的开发涉及大量试错试验。这一缓慢而昂贵的研发过程原则上可以通过模拟和验证其中的新化学成分来加速。然而，传统的超级计算机很难模拟这些分子及反应的量子行为，量子计算机则有望克服这一技术限制。

現代锂离子电池在充放电循环过程中，通过液态电解质材料将电荷从一个电极移动到另一个电极。改进电解质将对各项电池性能具有重要影响，包括能量密度（即电池效率）、充电速度、电池寿命、成本和安全性等。如果找到一种添加剂化学物质，能够增强电解液所提供的电池电流，就可以进一步改进和开发锂离子电池。为了识别潜在的添加剂，需要精确地模拟它们的存在对电解质分子的影响，但这类模拟所涉及的计算无法通过传统计算机完成。

对此，PsiQuantum公司与奔驰开展合作，研究用于模拟常用电解质添加剂氟乙烯碳酸酯（Fluoroethylene Carbonate）效果的量子算法。相关成果发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上，系统地阐述了容错量子计算如何优化电池设计。

团队评估了模拟前述量子计算中最大分子（就电子轨道而言）所需的物理资源。他们发现，这需要一台拥有16 382个逻辑量子位的量子计算机，能够执行包含2 320亿个T门（一种通用量子位门）的电路。这一技术条件目前显然无法实现，因此团队将相关应用程序编译到一个特定的硬件架构——基于光子融合的量子计算（FBQC）。在这个架构中，基本的硬件单元是资源状态发生器（RSGs），一种可以根据需要产生小型纠缠光子集合的硅光子器件。该团队通过研究发现，FBQC无须进一步优化，就可以在一天内完成模拟氟碳酸乙烯对电池性能的影响。

该团队还演示了一种专门用于光量子计算的交错方法（Interleaving），通过一种模块化的FBQC架构，将一个RSG及其相关的融合设备和少量的光纤延迟线组合成“交错模块”，这一研究成果发表在arXiv.org上。

（来源：澎湃新闻）