量子技术推动电动车电池市场的热潮翻涌
时间:2022-03-22 12:15来源:量子前哨 作者:综合报道
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（图片来源：网络）
近日，美国量子计算公司IonQ与韩国车厂Hyundai Motor宣布，正在合作开发一种新的变分量子特征求解器(variational quantum eigensolver，VQE)，用以研究锂化合物与电池内化学品的交互作用。
VQE与化学电池
VQE是一种变分量子算法，一种利用经典优化器训练一个含参量子线路，用于求解矩阵本征值和本征矢的算法，以解答既定优化问题；该算法利用变分原理(variational principle)来计算一个基态哈密顿量，或者说计算在一个动态物理系统条件下与时间相关的变化率。因为运算上的限制，传统方法的准确度也有误差。
两家公司将携手开发一个能在量子计算机上运行的电池化学模型，用以仿真氧化锂的结构与能量，目标是强化锂电池的性能、成本与安全性。透过量子计算机提供的化学仿真与运算加速，可望提升下一代锂离子电池的质量，提供更高的容量与耐用性，这些优势也能让电动车(EV)对消费者来说更具吸引力。
IonQ首席执行官Peter Chapman表示：“在电动车的开发过程中，电池仍是最艰难的工程挑战，占据电动车整体制造成本的近一半，这让电动车对大多数消费者来说仍太过昂贵；便宜的电池能让电动车成本更接近内燃机汽车，并有助于加速、加深电动车的市场接受度。”
他在接受采访时表示，更好的电池也能让电动车更具吸引力。很多消费者表示还没准备好换电动车的常见理由是：行驶里程的限制、充电速度慢，以及电池寿命有限。这些问题都可通过改善电池材料而解决。
电动车采用电气马达以及高电压、高容量电池组，还有各种电源管理与动力传动(powertrain)技术。尽管要价不斐，但电动车制造的污染依然远低于传统内燃机车辆。要想实现真正的永续性还需要改善电池技术，以降低其对电网的压力、甚至成为电网的一部分。
未来的电动车需要先进电池，这类电池中的材料要能取代钴等元素，并且更具效益，这样才能在提升行驶里程的同时降低对环境的影响。
Chapman表示，量子计算机天生适合建立分子行为方面的模型，因为两者都是受量子力学支配的系统。以软件仿真电池中的关键化合物，有助于预测化学反应结果，并有机会催生新形态的原材料，可节省电池开发的时间、成本与精力。
（图片来源：网络）
量子技术日渐成熟
打造量子计算机的最大挑战之一，就是降低错误率。有多种方法可以建立量子比特，例如IonQ的离子阱技术，可实现低错误率以及量子比特之间的高链接。IonQ的量子处理器是由3D空间内的原子驱动，可以透过激光束来控制这些原子以确保稳定性。
当前，量子比特数量被视为评估量子处理器功率与能力的最相关性能基准，然而随着量子比特数量持续成长，需要更准确可靠的度量标准。确实，更少的高质量量子比特的处理量通�；岜戎诙嗟椭柿苛孔颖忍馗�，特别是当它们展现较低的错误率的时候。
每一个在固态系统中的量子比特都很独特，噪声非常高、必须在接近“隔离”的状态下运作。但根据理论知识可知，固态系统环境不能达到“隔离”条件。因此，IonQ采用了一种雷射冷却方法，只要雷射调整得当就能稳定原子。值得一提的是，IonQ的程序不需要冷藏或精密设备，只需要一道激光束。
Chapman表示，“我们以几种不同的方式利用雷射发挥优势。除了系统能在室温下运作，雷射也让我们能对系统进行订制化：根据客户的实际需要改变架构。我们的雷射控制软件具有延展性，可以开关，若是实体金属线路就无法开关了。”
（图片来源：网络）
与IonQ的合作案是Hyundai宏大计划（2025策略）的核心，该计划还包括一年销售56万辆电动车，以及一年推出超过12款电池动力的电动车。此外，因为电动车在实现全球“永续发展”目标上扮演着关键角色，所以两家公司的结盟也代表着又朝着适应气候变迁迈进了一步。
为了实现全面的“永续”目标，除了交通工具必须电气化，还得配合其他措施，比如延长电动车的使用寿命，以抵销生产车辆的能源消耗需求。比如大多数为电动车提供动力的锂离子电池，采用钴以及其他稀土元素为原材料，这类矿物的开采会对环境造成冲击影响。
IonQ声称，该公司可以利用量子技术解决众多问题，包括电池效率以及提升能源电网的容量。此外，IonQ曾用量子计算机展示过化学肥料生产过程中的大型分子模拟。
Chapman表示，“随着我们硬件设备与算法的技术成熟，越来越复杂的分子行为和反应过程也可以进行模拟。我们从氧化锂起步，未来可能把视野扩展到固态电池、通过更好的太阳能电池生产能源等领域。除了化学，我们也可能以量子解决自动驾驶、充电网络分配、物流等问题。”
(责任编辑：子蕊)
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