電池化學方面的研究正從量子運算取得了長足的進展,從而推動更多研究以提升量子電腦的運算能力。

IBM聯手三菱化學株式會社(Mitsubishi Chemical)的科學家,針對鋰-空氣(Li-air)電池中的鋰和氧之間產生的初步反應機制,首度在量子電腦上進行模擬。這項研究最近在arXiv網站的一篇論文——「在超聲量子元件上重排鋰超氧化物二聚體的運算研究」(Computational Investigations of the Lithium Superoxide Dimer Rearrangement on Noisy Quantum Devices)中發表,並為在量子電腦上建模整個鋰-空氣反應奠定了基礎。瞭解鋰-空氣電池化學的基本機制,將有助於為行動裝置到汽車等各類應用帶來明顯更高效率的電池。

量子運算的能力也在測試中。具體而言,變分量子本徵求解(Variational Quantum Eigensolver;VQE)演算法用於以量子模擬器和量子元件,針對鋰超氧化物二聚體的重排進行運算研究。雖然這項研究表明量子模擬器可以獲得與精確值相似的能量值,但在量子硬體上的計算卻低估了能量——即使是在採用讀取誤差抑制之後。

IBM量子大使(Q Ambassador)兼IBM Almaden研究中心化學與科學組量子應用研究員Gavin Jones指出,Mitsubishi Chemical在與IBM聯手之前已經解決了採用傳統運算的問題。問題在於如此大型的化學系統需要的量子位元(Quibt)比任何IBM量子電腦所能容納的更多。

Jones說:「我們必須找到一種夠確實將量子位元數減少到某種程度的方法,讓我們真的可以用量子電腦或量子模擬器來研究這個問題。」

Jones表示,該研究論文中描述了如何減少量子位元以及使用量子模擬器和量子硬體來研究這個問題,然後檢查模擬器的準確性以及在量子硬體上進行的計算。「透過模擬器我們證實了能夠真的非常準確地完成這一過程。」然而,一旦研究團隊繼續前進到量子硬體階段,很容易導致「去同調誤差」(decoherence errors),從而低估了反應體的能量。「我們希望能夠找到更好的方法來研究這個過程,以便取得更準確的答案。」他說,透過結合更好的硬體,從而有助於推動對於更好的軟體需求。

在超聲量子元件上重排鋰超氧化物二聚體的運算研究中所關注的分子結構,但過程中有一部份可能形成過氧化鋰
(來源:IBM Research)

電池要能起作用取決於氧化鋰,但在過程中也可能形成過氧化鋰。從電化學的角度研究電池的目的在於減少不必要的過氧化鋰形成。Jones說,目前可能還需要幾年的時間才能以量子運算來研究整個問題,但它最終將協助研究人員瞭解如何防止過氧化鋰的形成。

Jones說:「也許我們可以在其中添加一些東西——某種可防止這種情況發生的添加劑。從電化學的角度來看,也許還有其他方法有助於改善這一點。」

日本慶應大學(Keio University)量子運算中心副教授山本直樹(Naoki Yamamoto)表示,產業界和學術界針對鋰-空氣電池研究展開合作,大約可追溯到1990年代中期。「由於鋰-空氣電池的充電與放電過程非常複雜,而且對周圍環境敏感,因此,目前仍難以在原子級闡明其反應機制,從而也這限制了該技術的進展。」

他說,在轉向量子運算之前,研究人員使用小型鋰-氧分子簇在充電和放電過程的初始階段建模其反應物,並以傳統電腦研究反應機制。「這些新的研究結果準確地預測了反應表面,但廣泛使用的密度泛函理論(DFT)還不夠好。」這意味著需要更高層級的量子力學理論,才能使用運算方法準確地預測其鋰-空氣電池的特性。但是,Yamamoto認為,這種理論將會明顯增加在傳統電腦上進行運算的費用。

今年,研究人員們已經能夠實際在量子運算裝置上研究鋰-空氣電池充電過程的初始步驟了。至今所取得的結果,如果加上預期在未來幾年量子運算的進展,可望更準確地檢測鋰-空氣電池的特定性能。他說,到目前為止,研究人員已經能夠在實際的量子運算裝置上進行研究,更準確地測量鋰-空氣電池中的反應物能量了。在此之前,反應物的能量被低估了約20千卡/摩爾(kcal/mol),而研究人員能夠將該值降低至約6 kcal/mol。接下來,研究人員期望進一步將在實際裝置測得的低估值縮小到低於1 kcal/mol。

Yamamoto表示,在日本,有一些大型的產學合作計劃正在進行中,以期將鋰-空氣電池技術推向市場。然而,在材料科學方面仍有大量的任務,才能製造出高效率的電池。「在不久的將來,我希望量子運算將有助於我們更有效地探索這些新材料。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Battery Research Advances Quantum Computing Capabilities,by Gary Hilson)