Peneliti kuantum di Ford baru saja menerbitkan studi pracetak baru yang memodelkan bahan baterai kendaraan listrik (EV) penting menggunakan komputer kuantum. Sementara hasilnya tidak mengungkapkan sesuatu yang baru tentang baterai lithium-ion, mereka menunjukkan bagaimana komputer kuantum yang lebih kuat dapat digunakan untuk secara akurat mensimulasikan reaksi kimia kompleks di masa depan.
Untuk menemukan dan menguji materi baru dengan komputer, peneliti harus memecah proses menjadi banyak perhitungan terpisah: Satu set untuk semua sifat yang relevan dari setiap molekul tunggal, satu lagi untuk bagaimana sifat ini dipengaruhi oleh perubahan lingkungan terkecil seperti suhu yang berfluktuasi. , satu lagi untuk semua kemungkinan cara dua molekul dapat berinteraksi bersama, dan seterusnya. Bahkan sesuatu yang terdengar sederhana seperti ikatan dua molekul hidrogen membutuhkan perhitungan yang sangat dalam.
Tetapi mengembangkan materi dengan menggunakan komputer memiliki keuntungan besar: para peneliti tidak harus melakukan setiap eksperimen yang mungkin dilakukan secara fisik yang bisa sangat memakan waktu. Alat seperti AI dan pembelajaran mesin telah mampu mempercepat proses penelitian untuk mengembangkan materi baru, tetapi komputasi kuantum menawarkan potensi untuk membuatnya lebih cepat lagi. Untuk EV, menemukan bahan yang lebih baik dapat menghasilkan baterai yang lebih tahan lama, pengisian lebih cepat, dan lebih bertenaga.
Komputer tradisional menggunakan bit biner — yang bisa berupa nol atau satu — untuk melakukan semua perhitungannya. Meskipun mereka mampu melakukan hal-hal yang luar biasa, ada beberapa masalah seperti pemodelan molekul yang sangat akurat yang tidak dapat mereka tangani—dan karena jenis perhitungan yang terlibat, mungkin tidak akan pernah. Setelah peneliti memodelkan lebih dari beberapa atom, perhitungan menjadi terlalu besar dan memakan waktu sehingga mereka harus bergantung pada perkiraan yang mengurangi keakuratan simulasi.
Alih-alih bit biasa, komputer kuantum menggunakan qubit yang bisa berupa nol, satu, atau keduanya sekaligus. Qubit juga dapat dijerat, diputar, dan dimanipulasi dengan cara kuantum liar lainnya untuk membawa lebih banyak informasi. Ini memberi mereka kekuatan untuk memecahkan masalah yang sulit diselesaikan dengan komputer tradisional—termasuk memodelkan reaksi molekuler secara akurat. Plus, molekul bersifat kuantum, dan karenanya memetakan lebih akurat ke qubit, yang direpresentasikan sebagai bentuk gelombang.
Sayangnya, banyak dari ini masih teoretis. Komputer kuantum belum cukup kuat atau cukup andal untuk layak secara komersial. Ada juga kesenjangan pengetahuan—karena komputer kuantum beroperasi dengan cara yang sama sekali berbeda dengan komputer tradisional, peneliti masih perlu mempelajari cara terbaik untuk menggunakannya.
[Related: Scientists use quantum computing to create glass that cuts the need for AC by a third]
Di sinilah penelitian Ford masuk. Ford tertarik untuk membuat baterai yang lebih aman, lebih banyak energi dan padat daya, serta lebih mudah didaur ulang. Untuk melakukan itu, mereka harus memahami sifat kimia dari bahan baru yang potensial seperti mekanisme pengisian dan pelepasan, serta stabilitas elektrokimia dan termal.
Tim ingin menghitung energi keadaan dasar (atau keadaan energi atom normal) dari LiCoO2, bahan yang berpotensi digunakan dalam baterai lithium ion. Mereka melakukannya dengan menggunakan algoritma yang disebut eigensolver kuantum variasional (VQE) untuk mensimulasikan model fase gas Li2Co2O4 dan Co2O4 (pada dasarnya, bentuk paling sederhana dari reaksi kimia yang mungkin) yang mewakili pengisian dan pengosongan baterai. VQE menggunakan pendekatan klasik kuantum hibrid dengan komputer kuantum (dalam hal ini, 20 qubit dalam simulator statevector IBM) yang baru saja digunakan untuk memecahkan bagian simulasi molekuler yang paling diuntungkan dari atribut uniknya. Segala sesuatu yang lain ditangani oleh komputer tradisional.
Karena ini adalah pembuktian konsep untuk komputasi kuantum, tim menguji tiga pendekatan dengan VQE: unitary coupled-cluster single and doubles (UCCSD), unitary coupled-cluster generalized singles and doubles (UCCGSD) dan k-unitary pair coupled- klaster umum tunggal dan ganda (k-UpCCGSD). Selain membandingkan hasil kuantitatif, mereka membandingkan sumber daya kuantum yang diperlukan untuk melakukan perhitungan secara akurat dengan pendekatan berbasis fungsi gelombang klasik. Mereka menemukan bahwa k-UpCCGSD menghasilkan hasil yang mirip dengan UCCSD dengan biaya lebih rendah, dan bahwa hasil dari metode VQE setuju dengan yang diperoleh dengan menggunakan metode klasik—seperti coupled-cluster single and doubles (CCSD) dan complete active space configuration interaction (CASCI) .
Meskipun belum cukup, para peneliti menyimpulkan bahwa kimia komputasi berbasis kuantum pada jenis komputer kuantum yang akan tersedia dalam waktu dekat akan memainkan “peran penting untuk menemukan bahan potensial yang dapat meningkatkan kinerja dan ketahanan baterai.” Sementara mereka menggunakan simulator 20-qubit, mereka menyarankan komputer kuantum 400-qubit (yang akan segera tersedia) akan diperlukan untuk memodelkan sepenuhnya sistem Li2Co2O4 dan Co2O4 yang mereka pertimbangkan.
Semua ini adalah bagian dari upaya Ford untuk menjadi pabrikan EV yang dominan. Truk seperti F-150 Lightning mendorong batas teknologi baterai saat ini, sehingga kemajuan lebih lanjut—kemungkinan dibantu oleh kimia kuantum—akan menjadi semakin diperlukan saat dunia beralih dari mobil berbahan bakar gas. Dan Ford bukan satu-satunya pemain yang berpikir untuk menggunakan kuantum untuk mengungguli permainan kimia baterai. IBM juga bekerja sama dengan Mercedes dan Mitsubishi dalam menggunakan komputer kuantum untuk menemukan kembali baterai EV.