Ford a folosit un computer cuantic pentru a găsi materiale mai bune pentru baterii de vehicule electrice

Computerele cuantice pot simula materiale mai bune pentru baterii mai sigure, mai dense energetic și mai ușor de reciclat.

Cercetătorii de la Ford au publicat un nou studiu preprint în ArXiv în care au modelat materiale cruciale pentru bateriile de vehicule electrice (EV) folosind un computer cuantic.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Deși rezultatele nu dezvăluie nimic nou despre bateriile cu litiu-ion, ele demonstrează cum ar putea fi folosite computere cuantice mai puternice pentru a simula cu exactitate reacții chimice complexe în viitor.

Materiale mai bune pentru baterii vor putea fi găsite utilizând calculatoare cuantice

Pentru a descoperi și testa materiale mai bune pentru baterii cu ajutorul computerelor, cercetătorii trebuie să împartă procesul în mai multe calcule separate: un set pentru toate proprietățile relevante ale fiecărei molecule, un altul pentru modul în care aceste proprietăți sunt afectate de cele mai mici schimbări de mediu, cum ar fi fluctuațiile de temperatură și unul pentru toate modurile posibile prin care orice două molecule pot interacționa împreună.

Chiar și un lucru care pare simplu, cum este legarea a două molecule de hidrogen necesită calcule incredibil de profunde.

Dar dezvoltarea materialelor folosind computere are un avantaj imens: cercetătorii nu trebuie să testeze la propriu toate experimentele posibile, ceea ce poate consuma incredibil de mult timp.

Instrumente precum inteligența artificială și învățarea automată au putut să accelereze procesul de cercetare pentru dezvoltarea materialelor noi, dar calculul cuantic oferă potențialul de a-l face și mai rapid. Pentru vehiculele electrice, găsirea de materiale mai bune ar putea duce la o încărcare mai durabilă, mai rapidă și la baterii mai puternice, scrie Popular Science.

De sunt folosite computere cuantice?

Calculatoarele tradiționale folosesc biți binari (care pot fi zero sau unu) pentru a efectua toate calculele. Deși sunt capabile de lucruri incredibile, există unele probleme, cum ar fi modelarea moleculară extrem de precisă, pe care pur și simplu nu au puterea de a o gestiona și, din cauza tipurilor de calcule implicate, este posibil să nu o poată face niciodată.

Odată ce cercetătorii modelează mai mult de câțiva atomi, calculele devin prea mari și prea consumatoare de timp, așa că oamenii de știință trebuie să se bazeze pe aproximări care reduc acuratețea simulării.

În loc de biți obișnuiți, computerele cuantice folosesc qubiți care pot fi zero, unu sau ambele în același timp. Qubiții pot fi, de asemenea, încurcați, rotiți și manipulați în alte moduri cuantice pentru a transporta mai multe informații. Acest lucru le oferă computerelor cuantice puterea de a rezolva probleme care sunt imposibile pentru computerele tradiționale, cum ar fi modelarea precisă a reacțiilor moleculare.

În plus, moleculele sunt cuantice prin natură și, prin urmare, se „mulează” mai precis pe qubiți, care sunt reprezentați sub formă de unde.

Încercarea companiei Ford de a găsi materiale mai bune pentru baterii

Din păcate, multe dintre aceste lucruri sunt încă teoretice. Calculatoarele cuantice nu sunt suficient de puternice sau suficient de fiabile pentru a fi viabile comercial la scară largă. Există, de asemenea, o lipsă de cunoștințe, deoarece computerele cuantice funcționează într-un mod complet diferit de computerele tradiționale, cercetătorii încă învață cum să le folosească cel mai bine.

Aici intervin cercetările Ford. Cercetătorii de la Ford sunt interesați să producă materiale mai bune pentru baterii mai sigure, mai dense și mai ușor de reciclat. Pentru a face acest lucru, ei trebuie să înțeleagă proprietățile chimice ale potențialelor noi materiale, cum ar fi mecanismele de încărcare și descărcare, precum și stabilitatea electrochimică și termică.

Chimia computațională

Echipa a vrut să calculeze energia de bază (sau starea normală a energiei atomice) a LiCoO2, un material care ar putea fi utilizat în bateriile litiu-ion. Cercetătorii au făcut acest lucru folosind un algoritm numit variational quantum eigensolver (VQE) pentru a simula modelele în fază gazoasă Li2Co2O4 și Co2O4 (în principiu, cea mai simplă formă de reacție chimică posibilă) care reprezintă încărcarea și descărcarea bateriei.

VQE folosește o abordare hibridă cuantică-clasică în care computerul cuantic (în acest caz, 20 de qubiți într-un simulator de vector de stare IBM) este folosit pentru a rezolva părțile simulării moleculare care aduc cele mai mari beneficii. De restul calculelor se ocupă computerele tradiționale.

Deoarece aceasta a fost o demonstrație a conceptului pentru calculul cuantic, echipa a testat trei abordări cu VQE, pe care le-au numit UCCSD, UCCGSD și k-UpCCGSD. Pe lângă compararea rezultatelor cantitative, ei au comparat resursele cuantice necesare pentru a efectua calculele cu precizie cu abordări clasice bazate pe funcția de undă.

Cercetătorii au descoperit că k-UpCCGSD a produs rezultate similare cu UCCSD la un cost mai mic și că rezultatele din metodele VQE au fost similare cu cele obținute prin metodele clasice CCSD și CASCI.

Un pas înainte pentru vehiculele electrice

Deși mai este mult de lucru, cercetătorii au concluzionat că chimia computațională efectuată pe computerele cuantice care vor fi disponibile în termen scurt va avea „un rol vital în găsirea de materiale potențiale care pot îmbunătăți performanța și robustețea bateriei”.

Deși au folosit un simulator de 20 de qubiți, ei sugerează că ar fi necesar un computer cuantic de 400 de qubiți (care va fi disponibil în curând) pentru a modela complet sistemul Li2Co2O4 și Co2O4 pe care l-au studiat.

Toată această muncă face parte din încercarea Ford de a deveni un producător de vehicule electrice dominant. Camioanele precum F-150 Lightning depășesc limitele tehnologiei actuale a bateriilor, așa că progresele ulterioare, probabil ajutate de chimia cuantică, vor deveni din ce în ce mai necesare pe măsură ce lumea se îndepărtează de mașinile pe benzină.

Iar Ford nu este singurul jucător care se gândește să folosească computere cuantice pentru a dezvolta noi baterii. IBM lucrează cu Mercedes și Mitsubishi la utilizarea computerelor cuantice pentru a reinventa bateria EV.

Vă recomandăm să citiți și:

Parbrizele și ochelarii aburiți nu vor mai fi o problemă datorită unor nanostraturi de aur

Electronicele purtabile din amidon ar putea produce mai puține deșeuri

Producția de hidrogen verde ar putea crește de 14 ori cu ajutorul undelor sonore

Un segment experimental gonflabil pentru stații spațiale a explodat violent