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量子技術(shù)推動(dòng)電動(dòng)車電池市場(chǎng)的熱潮翻涌
時(shí)間:2022-03-22 12:15來(lái)源:量子前哨 作者:綜合報(bào)道
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（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
近日，美國(guó)量子計(jì)算公司IonQ與韓國(guó)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。
VQE與化學(xué)電池
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(gè)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(wèn)題；該算法利用變分原理(variational principle)來(lái)計(jì)算一個(gè)基態(tài)哈密頓量，或者說(shuō)計(jì)算在一個(gè)動(dòng)態(tài)物理系統(tǒng)條件下與時(shí)間相關(guān)的變化率。因?yàn)檫\(yùn)算上的限制，傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確度也有誤差。
兩家公司將攜手開發(fā)一個(gè)能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(biāo)是強(qiáng)化鋰電池的性能、成本與安全性。透過(guò)量子計(jì)算機(jī)提供的化學(xué)仿真與運(yùn)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(shì)也能讓電動(dòng)車(EV)對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)更具吸引力。
IonQ首席執(zhí)行官Peter Chapman表示：“在電動(dòng)車的開發(fā)過(guò)程中，電池仍是最艱難的工程挑戰(zhàn)，占據(jù)電動(dòng)車整體制造成本的近一半，這讓電動(dòng)車對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)仍太過(guò)昂貴；便宜的電池能讓電動(dòng)車成本更接近內(nèi)燃機(jī)汽車，并有助于加速、加深電動(dòng)車的市場(chǎng)接受度。”
他在接受采訪時(shí)表示，更好的電池也能讓電動(dòng)車更具吸引力。很多消費(fèi)者表示還沒(méi)準(zhǔn)備好換電動(dòng)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(wèn)題都可通過(guò)改善電池材料而解決。
電動(dòng)車采用電氣馬達(dá)以及高電壓、高容量電池組，還有各種電源管理與動(dòng)力傳動(dòng)(powertrain)技術(shù)。盡管要價(jià)不斐，但電動(dòng)車制造的污染依然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛。要想實(shí)現(xiàn)真正的永續(xù)性還需要改善電池技術(shù)，以降低其對(duì)電網(wǎng)的壓力、甚至成為電網(wǎng)的一部分。
未來(lái)的電動(dòng)車需要先進(jìn)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(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響。
Chapman表示，量子計(jì)算機(jī)天生適合建立分子行為方面的模型，因?yàn)閮烧叨际鞘芰孔恿W(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(cè)化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，并有機(jī)會(huì)催生新形態(tài)的原材料，可節(jié)省電池開發(fā)的時(shí)間、成本與精力。
（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
量子技術(shù)日漸成熟
打造量子計(jì)算機(jī)的最大挑戰(zhàn)之一，就是降低錯(cuò)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(shí)現(xiàn)低錯(cuò)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(dòng)，可以透過(guò)激光束來(lái)控制這些原子以確保穩(wěn)定性。
當(dāng)前，量子比特?cái)?shù)量被視為評(píng)估量子處理器功率與能力的最相關(guān)性能基準(zhǔn)，然而隨著量子比特?cái)?shù)量持續(xù)成長(zhǎng)，需要更準(zhǔn)確可靠的度量標(biāo)準(zhǔn)。確實(shí)，更少的高質(zhì)量量子比特的處理量通常會(huì)比眾多低質(zhì)量量子比特更高，特別是當(dāng)它們展現(xiàn)較低的錯(cuò)誤率的時(shí)候。
每一個(gè)在固態(tài)系統(tǒng)中的量子比特都很獨(dú)特，噪聲非常高、必須在接近“隔離”的狀態(tài)下運(yùn)作。但根據(jù)理論知識(shí)可知，固態(tài)系統(tǒng)環(huán)境不能達(dá)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(dāng)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。
Chapman表示，“我們以幾種不同的方式利用雷射發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。除了系統(tǒng)能在室溫下運(yùn)作，雷射也讓我們能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訂制化：根據(jù)客戶的實(shí)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(shí)體金屬線路就無(wú)法開關(guān)了。”
（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
與IonQ的合作案是Hyundai宏大計(jì)劃（2025策略）的核心，該計(jì)劃還包括一年銷售56萬(wàn)輛電動(dòng)車，以及一年推出超過(guò)12款電池動(dòng)力的電動(dòng)車。此外，因?yàn)殡妱?dòng)車在實(shí)現(xiàn)全球“永續(xù)發(fā)展”目標(biāo)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(jìn)了一步。
為了實(shí)現(xiàn)全面的“永續(xù)”目標(biāo)，除了交通工具必須電氣化，還得配合其他措施，比如延長(zhǎng)電動(dòng)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(dòng)車提供動(dòng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成沖擊影響。
IonQ聲稱，該公司可以利用量子技術(shù)解決眾多問(wèn)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(jì)算機(jī)展示過(guò)化學(xué)肥料生產(chǎn)過(guò)程中的大型分子模擬。
Chapman表示，“隨著我們硬件設(shè)備與算法的技術(shù)成熟，越來(lái)越復(fù)雜的分子行為和反應(yīng)過(guò)程也可以進(jìn)行模擬。我們從氧化鋰起步，未來(lái)可能把視野擴(kuò)展到固態(tài)電池、通過(guò)更好的太陽(yáng)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(dòng)駕駛、充電網(wǎng)絡(luò)分配、物流等問(wèn)題。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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