IBM利用量子计算机研发新型锂电池，替代现有锂离子电池

普通人中，懂量子物理学的屈指可数；在电脑界，量子计算机也是独孤求败般的存在，大家都知道它很牛，但怎么个牛法，却很少有人知道。说难听点，量子计算机现在还是样子货（原型机），还没体现出商业化价值。

2019 年，法国蒙彼利埃大学的理论物理学家米切尔·达亚科诺夫（Michel Dyakonov），在电子与计算机工程的旗舰期刊 IEEE Spectrum 上发表文章认为，“我们为何永远也不可能造出实用的量子超级计算机”。俄克拉荷马州立大学量子计算专家萨布哈什·卡克（ Subhash Kak）也认为，由于难以解决硬件随机误差，人类很难造出具有实用价值的量子计算机。

量子计算机界的老司机 IBM 显然不信这个邪。在 CES2020 展会上，IBM 宣布已经和戴姆勒（Daimler）合作，利用其量子计算机资源研发新型锂电池，以替代现有的锂离子电池。

IBMQ

目前，IBM 的量子计算机 IBM Q 已经对三种不同的含锂分子完成了建模，使研究人员可以更好地了解它们在电池中储存电能和释放电能的性能。目前，通过量子计算机的辅助，IBM 发现用于制造新型锂电池的电极材料中，最有前途的是锂硫。根据研究，用锂硫做电极的电池将比今天的锂离子电池能量密度更高、充放电寿命更长、制造和使用成本更低，其完美程度，就像硅之于集成电路。

传统的超级计算机只可以对简单分子进行这种模拟，但需要大量的计算能力和时间，而且随着被模拟的分子越来越复杂，发生错误的可能性也会越来越大。

那么，量子计算机凭什么比传统超级计算机更高效呢？

传统电脑（包括传统超级计算机）最小的信息单位是比特（Bit），1 位比特要么表示0，要么表示1。要表示更多的信息，就必须用到更多的比特位。但对于量子计算机来说，由于叠加态的存在，1 个量子比特可以同时取 0 和 1 两个值。于是，在传统电脑的二进制运算中，量子比特的取值多达 4 种。也就是说，如果要遍历 0 和 1 这两个比特的所有值，在传统电脑中需要进行 4 次运算（00、01、10、11），但在量子计算机这里仅仅需要 1 次。

Google 的量子计算机，其 Sycamore 处理器拥有 54 量子比特。大圆柱体是用于使计算机保持极冷状态，保证外界能量不会干扰超灵敏量子比特。

正是由于量子叠加态的特性，使得量子计算机对指数级别的并行计算有巨大的速度优势，在解决特定问题时优势突出。前面说的 IBM Q 对含锂分子的化学性质研究就属于并行运算的商业化应用。不过，要等到锂硫电池走入千家万户，还需要一段时间，至少 2020 年不可能了。在量子计算机的商业化应用上，IBM 一直走在前列。

图为 Google 量子计算控制线，这种材料非常昂贵，每段的成本约为1,000 美元。

2016 年，IBM 启动“量子体验”项目，仅到 2018 年末，就有大约 10 万人体验了量子计算的魅力。美国能源部下属的多家实验室已经成为 IBM 量子计算的客户。这次和戴姆勒合作研究新型锂电池，不过是 IBM 量子计算机商业应用的众多客户之一。

Sycamore 量子计算芯片。左侧是与外界通信的控制器接口；右边是计算芯片。

美国目前在量子计算机研究和商业应用处于领先地位，中国则处于追赶状态。目前，我国最先进的量子计算机有 20 个量子比特，而 IBM Q 拥有 53 个量子比特，谷歌 Sycamore 量子计算机有 54 个量子比特。在信息时代，量子计算技术一旦突破，掌握这种能力的国家，会在经济、军事、科研、安全等领域迅速建立全方位优势。

据《第一财经》报道，中科院量子信息与量子科技创新研究院副研究员张文卓介绍，量子计算机的研制目标分为三个阶段：

第一个阶段是“量子霸权”阶段，目前美国在“量子霸权”的争夺中暂时领先，我国预计在 2020 年左右实现“量子霸权”的科学目标，缩小与美国的差距；

第二个阶段是实用化量子模拟机阶段，实现数百个量子比特相干操纵的专用型量子计算系统，应用于具有实用价值的组合优化、量子化学、机器学习等方面，指导新材料设计、药物开发等；

第三个阶段是通用可编程的量子计算机阶段，能够相干操纵数亿量子比特，实现可容错的量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

Google 量子计算编程。图中屏幕显示了发送到 Google 量子计算机的实际数据处理指令。

目前，我国在量子计算研究上加大投入，其中量子信息科学国家实验室耗资 100 亿美元，计划于 2020 年开放。