IBM利用量子計(jì)算機(jī)研發(fā)新型鋰電池，替代現(xiàn)有鋰離子電池

普通人中，懂量子物理學(xué)的屈指可數(shù)；在電腦界，量子計(jì)算機(jī)也是獨(dú)孤求敗般的存在，大家都知道它很牛，但怎么個(gè)牛法，卻很少有人知道。說(shuō)難聽點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在還是樣子貨（原型機(jī)），還沒體現(xiàn)出商業(yè)化價(jià)值。

2019 年，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的理論物理學(xué)家米切爾·達(dá)亞科諾夫（Michel Dyakonov），在電子與計(jì)算機(jī)工程的旗艦期刊 IEEE Spectrum 上發(fā)表文章認(rèn)為，“我們?yōu)楹斡肋h(yuǎn)也不可能造出實(shí)用的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)”。俄克拉荷馬州立大學(xué)量子計(jì)算專家薩布哈什·卡克（ Subhash Kak）也認(rèn)為，由于難以解決硬件隨機(jī)誤差，人類很難造出具有實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)界的老司機(jī) IBM 顯然不信這個(gè)邪。在 CES2020 展會(huì)上，IBM 宣布已經(jīng)和戴姆勒（Daimler）合作，利用其量子計(jì)算機(jī)資源研發(fā)新型鋰電池，以替代現(xiàn)有的鋰離子電池。

IBMQ

目前，IBM 的量子計(jì)算機(jī) IBM Q 已經(jīng)對(duì)三種不同的含鋰分子完成了建模，使研究人員可以更好地了解它們?cè)陔姵刂袃?chǔ)存電能和釋放電能的性能。目前，通過(guò)量子計(jì)算機(jī)的輔助，IBM 發(fā)現(xiàn)用于制造新型鋰電池的電極材料中，最有前途的是鋰硫。根據(jù)研究，用鋰硫做電極的電池將比今天的鋰離子電池能量密度更高、充放電壽命更長(zhǎng)、制造和使用成本更低，其完美程度，就像硅之于集成電路。

傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)只可以對(duì)簡(jiǎn)單分子進(jìn)行這種模擬，但需要大量的計(jì)算能力和時(shí)間，而且隨著被模擬的分子越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)生錯(cuò)誤的可能性也會(huì)越來(lái)越大。

那么，量子計(jì)算機(jī)憑什么比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)更高效呢？

傳統(tǒng)電腦（包括傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)）最小的信息單位是比特（Bit），1 位比特要么表示0，要么表示1。要表示更多的信息，就必須用到更多的比特位。但對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，由于疊加態(tài)的存在，1 個(gè)量子比特可以同時(shí)取 0 和 1 兩個(gè)值。于是，在傳統(tǒng)電腦的二進(jìn)制運(yùn)算中，量子比特的取值多達(dá) 4 種。也就是說(shuō)，如果要遍歷 0 和 1 這兩個(gè)比特的所有值，在傳統(tǒng)電腦中需要進(jìn)行 4 次運(yùn)算（00、01、10、11），但在量子計(jì)算機(jī)這里僅僅需要 1 次。

Google 的量子計(jì)算機(jī)，其 Sycamore 處理器擁有 54 量子比特。大圓柱體是用于使計(jì)算機(jī)保持極冷狀態(tài)，保證外界能量不會(huì)干擾超靈敏量子比特。

正是由于量子疊加態(tài)的特性，使得量子計(jì)算機(jī)對(duì)指數(shù)級(jí)別的并行計(jì)算有巨大的速度優(yōu)勢(shì)，在解決特定問(wèn)題時(shí)優(yōu)勢(shì)突出。前面說(shuō)的 IBM Q 對(duì)含鋰分子的化學(xué)性質(zhì)研究就屬于并行運(yùn)算的商業(yè)化應(yīng)用。不過(guò)，要等到鋰硫電池走入千家萬(wàn)戶，還需要一段時(shí)間，至少 2020 年不可能了。在量子計(jì)算機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用上，IBM 一直走在前列。

圖為 Google 量子計(jì)算控制線，這種材料非常昂貴，每段的成本約為1,000 美元。

2016 年，IBM 啟動(dòng)“量子體驗(yàn)”項(xiàng)目，僅到 2018 年末，就有大約 10 萬(wàn)人體驗(yàn)了量子計(jì)算的魅力。美國(guó)能源部下屬的多家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為 IBM 量子計(jì)算的客戶。這次和戴姆勒合作研究新型鋰電池，不過(guò)是 IBM 量子計(jì)算機(jī)商業(yè)應(yīng)用的眾多客戶之一。

Sycamore 量子計(jì)算芯片。左側(cè)是與外界通信的控制器接口；右邊是計(jì)算芯片。

美國(guó)目前在量子計(jì)算機(jī)研究和商業(yè)應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，中國(guó)則處于追趕狀態(tài)。目前，我國(guó)最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)有 20 個(gè)量子比特，而 IBM Q 擁有 53 個(gè)量子比特，谷歌 Sycamore 量子計(jì)算機(jī)有 54 個(gè)量子比特。在信息時(shí)代，量子計(jì)算技術(shù)一旦突破，掌握這種能力的國(guó)家，會(huì)在經(jīng)濟(jì)、軍事、科研、安全等領(lǐng)域迅速建立全方位優(yōu)勢(shì)。

據(jù)《第一財(cái)經(jīng)》報(bào)道，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院副研究員張文卓介紹，量子計(jì)算機(jī)的研制目標(biāo)分為三個(gè)階段：

第一個(gè)階段是“量子霸權(quán)”階段，目前美國(guó)在“量子霸權(quán)”的爭(zhēng)奪中暫時(shí)領(lǐng)先，我國(guó)預(yù)計(jì)在 2020 年左右實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的科學(xué)目標(biāo)，縮小與美國(guó)的差距；

第二個(gè)階段是實(shí)用化量子模擬機(jī)階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)量子比特相干操縱的專用型量子計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用于具有實(shí)用價(jià)值的組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等；

第三個(gè)階段是通用可編程的量子計(jì)算機(jī)階段，能夠相干操縱數(shù)億量子比特，實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

Google 量子計(jì)算編程。圖中屏幕顯示了發(fā)送到 Google 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)處理指令。

目前，我國(guó)在量子計(jì)算研究上加大投入，其中量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室耗資 100 億美元，計(jì)劃于 2020 年開放。