中文引用格式： 趙童格,，陳岳,，于春霖，等. 量子計算技術(shù)在電池材料化學模擬中的實用化探索[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,，2025,，51(2)：1-10.
英文引用格式： Zhao Tongge，Chen Yue,，Yu Chunlin,，et al. Practical exploration of quantum computational chemistry simulation in the field of batteries[J]. Application of Electronic Technique，2025,，51(2)：1-10.
引言
隨著晶體管體積逐漸逼近物理極限，以及制造工藝中遇到的諸多難題,，如光刻技術(shù)瓶頸,、熱管理挑戰(zhàn)等，半導體行業(yè)摩爾定律正面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1-2],。量子計算利用量子力學原理進行信息處理和計算,，以一種新的計算范式有望突破傳統(tǒng)計算能力的限制，為解決復雜問題提供了全新的可能性[3],。從費曼最早提出關(guān)于量子計算機的原始提議開始,，量子模擬有望使物理問題的解決速度得到指數(shù)級加速[4]，在哈密頓量模擬等領(lǐng)域具有超越傳統(tǒng)計算潛力,。
新能源領(lǐng)域迅速發(fā)展的今天,，鋰離子電池作為一種主要的能量儲存設(shè)備，在從個人日常使用的便攜式電子設(shè)備到電動汽車的主要動力來源以及工業(yè)生產(chǎn)中均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[5],。為滿足日益增長的電力需求并推動清潔能源轉(zhuǎn)型,，對新型電池材料的發(fā)現(xiàn)和性能的優(yōu)化成為研究人員的重要關(guān)注點，越來越多的電池模擬技術(shù)被提出和應(yīng)用[6-7],。Chaturvedi等人提出鋰離子電池動態(tài)行為方程式以建立電化學模型來詳細描述鋰離子內(nèi)發(fā)生的電化學反應(yīng)[8],。Balasingam等人基于等效電路的電氣模型簡化反應(yīng)過程的一些細節(jié)以快速重現(xiàn)運行中的電池效果，并在噪聲環(huán)境下進行了相關(guān)實驗[9-10]。Gomadam等人總結(jié)了鋰鎳電池系統(tǒng)的數(shù)學或解析模型,，其通過二階或更高階的復雜微分方程來描述電池操作效果[11-12],。然而，傳統(tǒng)的電池模擬計算方法復雜度隨著電池材料分子結(jié)構(gòu)的多樣性而急劇增加,，計算資源較高,，人們迫切地需要一種更高效、更經(jīng)濟,、更可靠的途徑來加速新材料的發(fā)現(xiàn)和電池設(shè)計的優(yōu)化過程[13-15],。
密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)能夠通過數(shù)學計算方式在原子水平上模擬化學電池性能，計算各種材料化學分子的基態(tài)能量,，在電池材料科學研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[16-18],。然而DFT模擬依賴于對交換相關(guān)能量的近似，對于強關(guān)聯(lián)電子體系,，這引入了固有的不準確性[19],。科研人員已經(jīng)有一些研究對DFT進行了擴展改進,，DFT+U方法在一般泛函如局部密度近似和廣義梯度近似的基礎(chǔ)上,，增加了Hubbard參數(shù)U來捕捉局部電子相干效應(yīng)，但需要針對不同系統(tǒng)調(diào)整特定的Hubbard參數(shù)[20-21],?；旌戏汉椒ńY(jié)合了Hartree-Fock理論中的精確交換，但需要調(diào)整一個可調(diào)參數(shù)來平衡計算精度和計算性能[22-23],。盡管DFT方法能夠提供相對精確的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果,，但是其在計算過程中需要處理大量的自由度和復雜的相互作用，計算復雜度顯著增加且需要大量的計算資源[24-25],。
幸運的是,，量子計算的發(fā)展為解決傳統(tǒng)方法的計算瓶頸提供了新的求解思路和方法[26-28]，Shor算法將經(jīng)典計算上指數(shù)級復雜度的大整數(shù)質(zhì)因數(shù)分解難題縮短到可以在多項式時間內(nèi)求解[29],，Grover算法可以將未排序數(shù)據(jù)庫中搜索特定項的時間減少到平方根級別[30],。在含噪中規(guī)模量子計算(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)時期，量子計算優(yōu)勢已經(jīng)被實驗證明,，谷歌研發(fā)量子處理器Sycamore在單量子門與雙量子門隨機線路采樣任務(wù)上實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的優(yōu)越性[31],；我國科學家團隊研制出量子計算原型機“九章”，在光量子計算高斯玻色采樣任務(wù)上證明了量子優(yōu)勢[32-33],；在超導量子計算設(shè)備“祖沖之號”上也展示出量子隨機線路采樣的量子優(yōu)越性[34-35],；加拿大研究團隊利用Borealis光量子芯片實現(xiàn)了高斯玻色采樣任務(wù)的量子優(yōu)勢[36]。同時,，量子—經(jīng)典混合的變分量子算法結(jié)合了量子計算的優(yōu)勢和經(jīng)典機器學習的訓練優(yōu)化性能,，在各種領(lǐng)域發(fā)揮出卓越的性能[37-38],。在電池化學特性模擬領(lǐng)域，眾多先進的量子算法可以加速新型電池材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計過程,，提高電池的能量密度,、循環(huán)壽命和安全性[39-41]。變分量子特征求解(Variational Quantum Eigensolver, VQE)算法通過量子計算機上的變分法及經(jīng)典計算機上的優(yōu)化算法來訓練優(yōu)化量子線路中的參數(shù),，近似求解分子的基態(tài)能量和電子結(jié)構(gòu)[42-44],。量子相位估計(Quantum Phase Estimation, QPE)算法以量子傅里葉變換為基礎(chǔ)實現(xiàn)量子系統(tǒng)相位的估算，從而求解本征值和本征態(tài)[45],。豐田、奔馳和現(xiàn)代等許多汽車制造商也都將量子計算作為電池研究的加速器,，應(yīng)用各種量子算法以準確,、高效地模擬電池材料鋰化合物及其化學反應(yīng)，降低計算成本,，從而開發(fā)更安全,、更輕便、更具成本效益的電池材料,。
本文回顧了量子計算方法在電池材料化學特性模擬領(lǐng)域中的應(yīng)用,。第1節(jié)中回顧了量子計算的基礎(chǔ)知識和混合量子經(jīng)典算法。在第2節(jié)中簡要介紹量子化學模擬的基礎(chǔ)知識,，對在化學模擬領(lǐng)域中使用的兩個關(guān)鍵量子算法：變分量子特征求解器,、量子相位估計進行了詳細闡述。第3節(jié)回顧了國內(nèi)外各公司機構(gòu)發(fā)布的關(guān)于量子化學模擬的軟件工具的發(fā)展,，為電池材料特性模擬提供了各種仿真平臺,，接著詳述了各汽車新能源企業(yè)利用量子算法求解電池特性模擬的具體應(yīng)用案例。電池材料特性的量子化學模擬遇到的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展在第4節(jié)中做了分析闡述,。最后總結(jié)量子化學模擬在電池材料研究領(lǐng)域的實用化探索進程,。
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作者信息：
趙童格1，陳岳1,，于春霖1,，2，陸玉虎3,，呂啟聞1,，吳嘉杰1，曹希1,，周朋1,，張魯峰1，鄭平1,，石金晶3
（1.中國長城科技集團股份有限公司 中國長城研究院,，廣東 深圳 518000,；
2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司 科技發(fā)展部，廣東 深圳 518000,；
3.中南大學 電子信息學院,，湖南 長沙 410083）
