量子技術推動電動車電池市場的熱潮翻涌
時間:2022-03-22 12:15來源:量子前哨 作者:綜合報道
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（圖片來源：網絡）
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化學品的交互作用。
VQE與化學電池
VQE是一種變分量子算法，一種利用經典優化器訓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，以解答既定優化問題；該算法利用變分原理(variational principle)來計算一個基態哈密頓量，或者說計算在一個動態物理系統條件下與時間相關的變化率。因為運算上的限制，傳統方法的準確度也有誤差。
兩家公司將攜手開發一個能在量子計算機上運行的電池化學模型，用以仿真氧化鋰的結構與能量，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仿真與運算加速，可望提升下一代鋰離子電池的質量，提供更高的容量與耐用性，這些優勢也能讓電動車(EV)對消費者來說更具吸引力。
IonQ首席執行官Peter Chapman表示：“在電動車的開發過程中，電池仍是最艱難的工程挑戰，占據電動車整體制造成本的近一半，這讓電動車對大多數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燃機汽車，并有助于加速、加深電動車的市場接受度。”
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。
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。盡管要價不斐，但電動車制造的污染依然遠低于傳統內燃機車輛。要想實現真正的永續性還需要改善電池技術，以降低其對電網的壓力、甚至成為電網的一部分。
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境的影響。
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支配的系統。以軟件仿真電池中的關鍵化合物，有助于預測化學反應結果，并有機會催生新形態的原材料，可節省電池開發的時間、成本與精力。
（圖片來源：網絡）
量子技術日漸成熟
打造量子計算機的最大挑戰之一，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，可實現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空間內的原子驅動，可以透過激光束來控制這些原子以確保穩定性。
當前，量子比特數量被視為評估量子處理器功率與能力的最相關性能基準，然而隨著量子比特數量持續成長，需要更準確可靠的度量標準。確實，更少的高質量量子比特的處理量通常會比眾多低質量量子比特更高，特別是當它們展現較低的錯誤率的時候。
每一個在固態系統中的量子比特都很獨特，噪聲非常高、必須在接近“隔離”的狀態下運作。但根據理論知識可知，固態系統環境不能達到“隔離”條件。因此，IonQ采用了一種雷射冷卻方法，只要雷射調整得當就能穩定原子。值得一提的是，IonQ的程序不需要冷藏或精密設備，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揮優勢。除了系統能在室溫下運作，雷射也讓我們能對系統進行訂制化：根據客戶的實際需要改變架構。我們的雷射控制軟件具有延展性，可以開關，若是實體金屬線路就無法開關了。”
（圖片來源：網絡）
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，因為電動車在實現全球“永續發展”目標上扮演著關鍵角色，所以兩家公司的結盟也代表著又朝著適應氣候變遷邁進了一步。
為了實現全面的“永續”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，以抵銷生產車輛的能源消耗需求。比如大多數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境造成沖擊影響。
IonQ聲稱，該公司可以利用量子技術解決眾多問題，包括電池效率以及提升能源電網的容量。此外，IonQ曾用量子計算機展示過化學肥料生產過程中的大型分子模擬。
Chapman表示，“隨著我們硬件設備與算法的技術成熟，越來越復雜的分子行為和反應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電池、通過更好的太陽能電池生產能源等領域。除了化學，我們也可能以量子解決自動駕駛、充電網絡分配、物流等問題。”
(責任編輯：子蕊)
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