Ford използва квантов компютър, за да открие по-добри материали за батерии за електромобили

Изследователи на квантовата техника във Ford току-що публикуваха ново проучване. В него са моделирани важни материали за батерии за електрически превозни средства (EV) с помощта на квантов компютър. 

Въпреки че резултатите не разкриват нищо ново за литиево-йонните батерии, те показват как в бъдеще могат да се използват по-мощни квантови компютри за точно симулиране на сложни химични реакции. 

За да открият и тестват нови материали с помощта на компютри, изследователите трябва да разделят процеса на много отделни изчисления. Един набор за всички съответни свойства на всяка отделна молекула, друг за това как тези свойства се влияят от най-малките промени в околната среда, като например колебанията на температурата. Трети за всички възможни начини, по които две молекули могат да взаимодействат помежду си, и така нататък. 

Дори нещо, което звучи просто като свързване на две молекули водород, изисква невероятно задълбочени изчисления. 

Но разработването на материали с помощта на компютри има огромно предимство. На изследователите не се налага да провеждат всички възможни експерименти физически, което може да отнеме изключително много време. Инструменти като изкуствения интелект и машинното обучение успяха да ускорят изследователския процес за разработване на нови материали. 

Квантовите изчисления предлагат потенциала да го направят още по-бърз. 

За електромобилите намирането на по-добри материали може да доведе до по-дълготрайни, по-бързо зареждащи се и по-мощни батерии.  Традиционните компютри с двоични битове не могат да се справят с високоточно молекулярно моделиране. Добавят ли се повече от няколко атома, изчисленията стават прекалено големи. 

Квантовите компютри с техните кюбити нямат този проблем.

Освен това молекулите са квантови по своята същност и следователно се изобразяват по-точно върху кюбитите, които се представят като вълнови форми.

За съжаление, голяма част от тези данни са теоретични. Квантовите компютри все още не са достатъчно мощни или надеждни, за да бъдат широко използвани в търговската мрежа. Съществува и празнина в знанията. Тъй като квантовите компютри работят по напълно различен начин от традиционните компютри. Изследователите все още трябва да научат как най-добре да ги използват. 

Именно тук е мястото на изследванията на Форд. 

Форд се интересува от създаването на батерии, които са по-безопасни, по-енергийни и по-мощни и по-лесни за рециклиране. За целта те трябва да разберат химичните свойства на потенциалните нови материали, като механизмите на зареждане и разреждане, както и електрохимичната и термичната стабилност.

Екипът искаше да изчисли енергията на основното състояние (или нормалното състояние на атомната енергия) на LiCoO2. 

Това е материал, който потенциално може да се използва в литиево-йонни батерии. Те направиха това, като използваха алгоритъм, наречен вариационен квантов еигенсолвер (VQE), за да симулират моделите на газовата фаза на Li2Co2O4 и Co2O4. Те представляват зареждането и разреждането на батерията. VQE използва хибриден квантово-класически подход. Квантовият компютър в този случай е 20 кюбита в симулатор на вектори на състоянието на IBM). Той се използва само за решаване на частите на молекулярната симулация, които се възползват в най-голяма степен от неговите уникални свойства. 

С всичко останало се справят традиционните компютри.

Тъй като това е доказателство за концепцията за квантовите компютри, екипът тества три подхода с VQE: 

• Унитарни двойки, свързани с клъстер, единични и двойни (UCCSD)
• Унитарни двойки, свързани с клъстер, обобщени единични и двойни (UCCGSD) 
• К-унитарни двойки, свързани с клъстер, обобщени единични и двойни (k-UpCCGSD). 

Освен че сравняват количествените резултати, те сравняват и квантовите ресурси, необходими за точното извършване на изчисленията, с класическите подходи, базирани на вълнови функции. Установено е, че k-UpCCGSD дава сходни резултати с UCCSD при по-ниски разходи. Резултатите от методите на VQE съвпадат с тези, получени с помощта на класически методи, като например (CCSD) и CASCI)

Те предполагат, че за пълното моделиране на разглежданата от тях система Li2Co2O4 и Co2O4 ще е необходим 400-кюбитов квантов компютър.

Всичко това е част от опита на Ford да се превърне в доминиращ производител на електрически превозни средства. Камиони като F-150 Lightning преминават границите на сегашната технология за батерии. По-нататъшният напредък – вероятно подпомогнат от квантовата химия – ще става все по-необходим, Особено, когато светът се отказва от автомобилите, работещи на традиционно гориво.. 

И Ford не е единственият играч, който смята да използва квантовата технология, за да изпревари в играта с химията на батериите. IBM също така работи с Mercedes и Mitsubishi по използването на квантови компютри за преоткриване на батерията за електрически автомобили.