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福特的量子研究人员刚刚发表了一项新的预印本研究，该研究使用量子计算机对关键的电动汽车(EV)电池材料进行了建模。虽然这一结果并没有揭示任何关于锂离子电池的新东西，但它们展示了未来如何使用更强大的量子计算机来精确模拟复杂的化学反应。
为了用计算机发现和测试新材料，研究人员必须将这一过程分解成许多独立的计算:一组计算每个单个分子的所有相关性质，另一组计算这些性质如何受到最小的环境变化(如波动温度)的影响，另一组计算任意两个分子相互作用的所有可能方式，等等。即使是像两个氢分子成键这样听起来简单的事情，也需要非常深入的计算。
但是使用计算机开发材料有一个巨大的优势:研究人员不需要进行每一个可能的物理实验，这可能会非常耗时。人工智能和机器学习等工具已经能够加快开发新材料的研究过程，但量子计算有可能使其更快。对于电动汽车来说，找到更好的材料可以带来更持久、更快充电、更强大的电池。
传统计算机使用二进制位(可以是0或1)来执行所有的计算。虽然他们有能力做一些令人难以置信的事情，但也有一些问题，比如高度精确的分子建模，是他们没有能力处理的——而且由于涉及的计算类型，可能永远都不会。一旦研究人员模拟了几个以上的原子，计算就会变得过于庞大和耗时，因此他们不得不依赖近似值，这降低了模拟的准确性。
量子计算机使用的量子位可以是0、1，也可以同时是0和1，而不是普通的比特。量子比特还可以被纠缠、旋转，并以其他疯狂的量子方式进行操作，以携带更多信息。这使他们能够解决传统计算机难以解决的问题，包括精确地模拟分子反应。此外，分子本质上是量子的，因此可以更准确地映射到量子比特上，量子比特被表示为波形。
不幸的是，这其中很多还停留在理论阶段。量子计算机还不够强大，也不够可靠，无法广泛应用于商业。还有一个知识鸿沟——因为量子计算机的运作方式与传统计算机完全不同，研究人员仍然需要学习如何最好地使用它们。
这就是福特研究的切入点。福特对制造更安全、更节能、功率更密集、更容易回收的电池很感兴趣。要做到这一点，他们必须了解潜在新材料的化学性质，如充放电机制，以及电化学和热稳定性。
该团队想要计算LiCoO2的基态能量(或正常的原子能状态)，这种材料有可能用于锂离子电池。他们使用一种称为变分量子本征求解器(VQE)的算法来模拟Li2Co2O4和Co2O4气相模型(基本上，可能的最简单的化学反应形式)，这些模型代表电池的充放电。VQE使用了量子经典方法与量子计算机(在本例中，IBM状态矢量模拟器中的20个量子比特)的混合方法，仅用于解决分子模拟中受益于其独特属性的部分。其他一切都由传统计算机处理。
由于这是量子计算的概念验证，该团队使用VQE测试了三种方法:酉耦合集群单对双(UCCSD)、酉耦合集群广义单对双(UCCGSD)和k-酉对耦合集群广义单对双(k-UpCCGSD)。除了比较定量结果外，他们还将精确执行计算所需的量子资源与经典的基于波函数的方法进行了比较。他们发现k-UpCCGSD以更低的成本产生了与UCCSD相似的结果，并且VQE方法的结果与使用经典方法获得的结果一致，如耦合集群单双(CCSD)和完全主动空间构型相互作用(CASCI)。
虽然还没有完全实现，但研究人员得出的结论是，在近期可用的量子计算机上，基于量子的计算化学将“在寻找可以增强电池性能和坚固性的潜在材料方面发挥至关重要的作用”。虽然他们使用了一个20量子位的模拟器，但他们认为一个400量子位的量子计算机(很快就会上市)将是必要的，以完全模拟他们所考虑的Li2Co2O4和Co2O4系统。
所有这些都是福特试图成为主导电动汽车制造商的一部分。像F-150闪电这样的卡车推动了当前电池技术的极限，因此，随着世界逐渐远离燃烧汽油的汽车，进一步的进步(可能是在量子化学的帮助下)将变得越来越必要。福特并不是唯一一家考虑利用量子技术在电池化学领域领先的公司。IBM还与梅赛德斯(Mercedes)和三菱(Mitsubishi)合作，利用量子计算机重新发明电动汽车电池。
