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IBM利用更少的量子比特模拟新材料 有助于开发高性能电池

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58京牌 ,美国国际商用机器公司(IBM)研究团队从完全不同的视角出发,利用目前有限的量子资源,更好地进行材料设计。

(图片来源:IBM)

通过调整方法并成功模拟一些分子,可以达到比以前更高的准确度,而不需要更多的量子比特。研究人员将更多信息有效置入数学函数中,并将其用于模拟,从而得到更加精确的结果,而不增加计算成本。研究人员表示:“我们可以利用目前的小型量子计算机,更精确地计算氟化氢(HF)等聚合分子的性质。”

作为IBM的长期量子研究合作伙伴,汽车制造商戴姆勒(Daimler)对这一研究结果表现出浓厚兴趣。对于开发性能更高、续航时间更长、价格更低的电池,这将大有裨益。

在新材料基础上设计电池,需要准确理解哪些化合物应该结合在一起,及其如何结合。在这一过程中,需要准确描述所有化合物构成分子的特征,以及构成这些分子的粒子,以模拟这些化合物在不同环境中的反应。这是一项极其繁重的工作,为了找到合适的分子组合,需要进行大量的测试,但是传统方法无法满足这一要求。IBM研究人员表示:“这是开发下一代电池的大问题。”相比之下,量子计算机可以快速完成这项任务。受益于量子比特及其同时编码不同信息的能力,利用量子算法可以同时运行多项计算。预计有一天,量子计算机能够在几分钟内解决看似不可能的问题。

为了做到这一点,物理学家需要支持较多量子比特的量子计算机,但大多数量子计算机的量子比特都不到100个,远不能满足模拟需求。在计算机实验中,通常用哈密顿量来表示某些分子性质,这一数学函数表示粒子的空间函数,也称为轨道。也就是说,分子越大,轨道就越大,需要的量子比特和量子操作就越多。IBM团队表示:“我们目前还不能在量子硬件上模拟出足够多的轨道,以关联现实世界中复杂分子的电子。”

为了弥补资源的不足,该团队创建了“互关联”哈密顿量(transcorrelated Hamiltonian),可以转换成包含特定分子中电子行为的额外信息。这些信息涉及到带负电荷的电子相互排斥的倾向性,因为需要过多地进行额外计算,通常不适用于现有量子计算机。通过将电子行为直接纳入哈密顿量,研究人员提高了模拟准确性,但并不需要更多的量子比特。研究人员表示:“模拟的轨道越多,越接近真实的实验结果。通过更好的建模和模拟,可以具有特定性质的新材料。”因此,IBM的发现或将加快量子应用速度,即使只用很少的量子比特,也会出现新的使用案例。

IBM将继续以扩大量子计算机规模为重点,预计容错量子计算机将是未来十年可实现的目标。据介绍,量子模拟很可能是这项技术的首批应用之一。研究人员表示:“汽车电池就是一个很好的例子。量子比特的数量将不断增多,在不久的将来带来有价值的发现,用于开发新材料。我们很快就会在量子模拟和新材料领域看到量子的优势。”

IBM公司预计在2023年达到1000量子比特,这要归功于小分子模拟。

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