（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

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近日，美國量子計算公司IonQ與韓國車廠Hyundai Motor宣布，正在合作開發(fā)一種新的變分量子特征求解器(variational quantum eigensolver，VQE)，用以研究鋰化合物與電池內(nèi)化學(xué)品的交互作用。

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VQE與化學(xué)電池

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VQE是一種變分量子算法，一種利用經(jīng)典優(yōu)化器訓(xùn)練一個含參量子線路，用于求解矩陣本征值和本征矢的算法，以解答既定優(yōu)化問題；該算法利用變分原理(variational principle)來計算一個基態(tài)哈密頓量，或者說計算在一個動態(tài)物理系統(tǒng)條件下與時間相關(guān)的變化率。因為運算上的限制，傳統(tǒng)方法的準確度也有誤差。

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兩家公司將攜手開發(fā)一個能在量子計算機上運行的電池化學(xué)模型，用以仿真氧化鋰的結(jié)構(gòu)與能量，目標是強化鋰電池的性能、成本與安全性。透過量子計算機提供的化學(xué)仿真與運算加速，可望提升下一代鋰離子電池的質(zhì)量，提供更高的容量與耐用性，這些優(yōu)勢也能讓電動車(EV)對消費者來說更具吸引力。

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IonQ首席執(zhí)行官Peter Chapman表示：“在電動車的開發(fā)過程中，電池仍是最艱難的工程挑戰(zhàn)，占據(jù)電動車整體制造成本的近一半，這讓電動車對大多數(shù)消費者來說仍太過昂貴；便宜的電池能讓電動車成本更接近內(nèi)燃機汽車，并有助于加速、加深電動車的市場接受度。”

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他在接受采訪時表示，更好的電池也能讓電動車更具吸引力。很多消費者表示還沒準備好換電動車的常見理由是：行駛里程的限制、充電速度慢，以及電池壽命有限。這些問題都可通過改善電池材料而解決。

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電動車采用電氣馬達以及高電壓、高容量電池組，還有各種電源管理與動力傳動(powertrain)技術(shù)。盡管要價不斐，但電動車制造的污染依然遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛。要想實現(xiàn)真正的永續(xù)性還需要改善電池技術(shù)，以降低其對電網(wǎng)的壓力、甚至成為電網(wǎng)的一部分。

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未來的電動車需要先進電池，這類電池中的材料要能取代鈷等元素，并且更具效益，這樣才能在提升行駛里程的同時降低對環(huán)境的影響。

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Chapman表示，量子計算機天生適合建立分子行為方面的模型，因為兩者都是受量子力學(xué)支配的系統(tǒng)。以軟件仿真電池中的關(guān)鍵化合物，有助于預(yù)測化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，并有機會催生新形態(tài)的原材料，可節(jié)省電池開發(fā)的時間、成本與精力。

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量子技術(shù)日漸成熟

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打造量子計算機的最大挑戰(zhàn)之一，就是降低錯誤率。有多種方法可以建立量子比特，例如IonQ的離子阱技術(shù)，可實現(xiàn)低錯誤率以及量子比特之間的高鏈接。IonQ的量子處理器是由3D空間內(nèi)的原子驅(qū)動，可以透過激光束來控制這些原子以確保穩(wěn)定性。

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當前，量子比特數(shù)量被視為評估量子處理器功率與能力的最相關(guān)性能基準，然而隨著量子比特數(shù)量持續(xù)成長，需要更準確可靠的度量標準。確實，更少的高質(zhì)量量子比特的處理量通常會比眾多低質(zhì)量量子比特更高，特別是當它們展現(xiàn)較低的錯誤率的時候。

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每一個在固態(tài)系統(tǒng)中的量子比特都很獨特，噪聲非常高、必須在接近“隔離”的狀態(tài)下運作。但根據(jù)理論知識可知，固態(tài)系統(tǒng)環(huán)境不能達到“隔離”條件。因此，IonQ采用了一種雷射冷卻方法，只要雷射調(diào)整得當就能穩(wěn)定原子。值得一提的是，IonQ的程序不需要冷藏或精密設(shè)備，只需要一道激光束。

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Chapman表示，“我們以幾種不同的方式利用雷射發(fā)揮優(yōu)勢。除了系統(tǒng)能在室溫下運作，雷射也讓我們能對系統(tǒng)進行訂制化：根據(jù)客戶的實際需要改變架構(gòu)。我們的雷射控制軟件具有延展性，可以開關(guān)，若是實體金屬線路就無法開關(guān)了?！?/p>

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（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

與IonQ的合作案是Hyundai宏大計劃（2025策略）的核心，該計劃還包括一年銷售56萬輛電動車，以及一年推出超過12款電池動力的電動車。此外，因為電動車在實現(xiàn)全球“永續(xù)發(fā)展”目標上扮演著關(guān)鍵角色，所以兩家公司的結(jié)盟也代表著又朝著適應(yīng)氣候變遷邁進了一步。

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為了實現(xiàn)全面的“永續(xù)”目標，除了交通工具必須電氣化，還得配合其他措施，比如延長電動車的使用壽命，以抵銷生產(chǎn)車輛的能源消耗需求。比如大多數(shù)為電動車提供動力的鋰離子電池，采用鈷以及其他稀土元素為原材料，這類礦物的開采會對環(huán)境造成沖擊影響。

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IonQ聲稱，該公司可以利用量子技術(shù)解決眾多問題，包括電池效率以及提升能源電網(wǎng)的容量。此外，IonQ曾用量子計算機展示過化學(xué)肥料生產(chǎn)過程中的大型分子模擬。

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Chapman表示，“隨著我們硬件設(shè)備與算法的技術(shù)成熟，越來越復(fù)雜的分子行為和反應(yīng)過程也可以進行模擬。我們從氧化鋰起步，未來可能把視野擴展到固態(tài)電池、通過更好的太陽能電池生產(chǎn)能源等領(lǐng)域。除了化學(xué)，我們也可能以量子解決自動駕駛、充電網(wǎng)絡(luò)分配、物流等問題。”

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原文鏈接：

https://www.eettaiwan.com/20220316nt31-quantum-computing-enlisted-to-improve-ev-batteries/

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文：Maurizio Di Paolo Emilio

編譯：卉可

編輯：慕一
注：本文編譯自“EE Times”，不代表量子前哨觀點。

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