福特发布新成果！用量子计算研发电动汽车电池材料
福特汽车公司的量子研究小组与量子计算公司Quantinuum合作进行了一项研究，研究的主要内容是：量子计算机能否用于模拟化学新材料，使未来的电动汽车电池更安全、能量密度更高、更容易回收？他们调查了量子计算机的使用情况，以模拟下一代电动汽车电池的材料。最近，他们发布了研究结果。
从模拟到量子计算
锂离子电池是化学储能设备，目前是电动汽车的主要能源。电动汽车在全球的使用率正快速增长（见图1），急需寻找为下一代汽车提供动力的能源。电池化学的进一步发展不仅需要增加电池续航里程，而且要具备汽油动力车辆的所有性能、舒适性和用户体验功能。还需要不同的化学电池类型，从而在基本电池组件的预期需求和供应之间取得平衡。
电动汽车制造商已经认识到，如果要推进电池技术的发展，就需要提高电池材料的密度、功率、生命周期、安全性、成本，最重要的是提高可回收性。使用量子计算，可以分析充电、放电机制、电化学和热稳定性、结构相变和表面行为，这对于找到可以提高电池性能和鲁棒性的合适材料至关重要。
福特的量子研究人员正在寻找模拟锂离子电池化学性能的新方法。相关研究小组被称为Core AI-ML-QC团队，由Devesh Upadhyay领导，包括量子计算机科学家、理论化学家和计算建模专家Marwa H. Farag以及物理学家Joydip Ghosh。Farag和Ghosh是一篇新科学论文的作者，该论文描述了基于量子计算（QC）的复杂化学建模方法。
当今大多数传统计算机无法对真实世界的复杂分子进行极其精确的模拟，这是由于计算量随着系统大小呈指数级增长。而量子计算机可以克服这个问题，因为它成倍扩展了计算能力。
使用量子计算机探索新材料的特性具有明显的优势。与进行物理实验相比，人工智能和机器学习等工具已经加快了开发新材料的研究过程，但量子计算可以节省更多时间。相比于传统计算机，量子计算机可以在更大的范围内操纵数据，解决传统计算机无法解决的问题。
福特团队希望使用量子计算机寻找改进的材料，加速电动汽车电池的开发，使之具有更高的功率、更短的充电时间和更长的寿命。
Farag和Ghosh使用量子计算机研究了锂离子化学电池。更具体地说，这两位科学家使用了变分量子特征求解器（VQE），这种算法用于查找LiCoO 2的基态能量（或正常原子能态），LiCoO 2是一种用于电池阴极的候选过渡金属氧化物。VQE混合量子经典方法用于当前一代量子计算机，用于求解分子系统中从量子计算中受益最大的部分，其余计算在经典计算机上执行。
科学家们使用VQE技术模拟了Li2Co2O4 和Co2O4气相模型（见图2），这些模型反映了电池的充电和放电。与VQE混合量子经典方法一致，量子计算机仅用于解决分子模拟中那些将从其独特性能中受益最大的部分。其他一切都由基于传统架构的计算机处理。
该团队用VQE尝试了三种方法：第一种方法叫酉耦合簇单打和双打（UCCSD），第二种方法叫酉耦合簇广义单打和双打（UCCGSD），第三种方法叫k-酉对耦合簇广义单打和双打（k-UpCCGSD）。
研究人员将定量结果以及精确计算所需的量子资源与基于波函数的经典方法进行了对比。发现VQE方法的结果与传统方法的结果一致：耦合簇单打和双打（CCSD）与完全主动空间配置交互（CASCI），以及k-UpCCGSD产生的结果与UCCSD相似，但成本更低。
这些计算都是在具有20个量子比特的状态向量模拟器上进行的，随着量子硬件的成熟，要模拟大尺寸的强相关系统，将需要一台400个量子比特的量子计算机，以提供更多解析。
Quantinuum的InQuanto
Quantinuum的InQuanto量子化学平台及其H系列离子阱量子硬件用于执行研究团队的混合方法（在量子和传统计算机上执行的VQE算法），涉及到与电池研究直接相关的分子。
InQuanto的一个突出优点是，它的用户界面易于操作，即使是以前从未使用过量子系统的计算化学家也可以使用。2021年，福特研究人员首次使用InQuanto作为一部分beta测试计划。当该平台于 2022年5月正式发布时，福特公司就已经是它的合作伙伴。
在他们的研究中，Farag和Ghosh得出的结论是：计算化学可以解析充电、放电机制、电化学和热稳定性，结构相变和表面行为，并且对于寻找可以增强电池性能和鲁棒性的潜在材料起着至关重要的作用。
编译：卉可
编辑：慕一
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