كيف يمكن للحواسيب الكمومية أن تجعل البطاريات أفضل

تتعاون Hyundai مع شركة IonQ الناشئة لمعرفة كيف يمكن للحواسيب الكمومية تصميم بطاريات متقدمة للسيارات الكهربائية، بهدف إنشاء أكبر نموذج كيميائي للبطاريات. ليتم تشغيله على حاسوب كمي.

يمكن للحاسوب الكمي الذي يتميز بدرجة عالية من التعقيد – على سبيل المثال، عدد كافٍ من المكونات المعروفة باسم البتات الكمومية أو “Qubits” – أن يحقق نظريًا ميزة كمية حيث يمكنه العثور على إجابات لمشكلات لا يستطيع أي كمبيوتر تقليدي حلها على الإطلاق. من الناحية النظرية، يمكن للحاسوب الكمي الذي يحتوي على 300 كيوبت مخصصة بالكامل للحوسبة أن يقوم بعمليات حسابية في لحظة واحدة أكثر من الذرات الموجودة في الكون المرئي.

قد يكون التطبيق الأقرب اصطلاحًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو الكيمياء – على سبيل المثال، محاكاة الجزيئات لمعرفة أي منها قد تكون عقاقير مفيدة. يقول بيتر تشابمان، الرئيس التنفيذي ورئيس شركة IonQ في ماريلاند: “تعد الحواسيب الكمومية مناسبة لنمذجة السلوك الجزيئي لأن كلا النظامين تحكمهما ميكانيكا الكم”. نظرًا لأن الحواسيب الكمومية يمكنها نمذجة الكيمياء بشكل أكثر دقة من الحواسيب التقليدية، “يصبح من الممكن التأكد من امكانية استخراج أقصى قدر من الكفاءة بأقل جهد”.

تهدف IonQ الآن إلى استخدام الحواسيب الكمومية لتحليل ومحاكاة هيكل وطاقة مركّبات الليثيوم لبطاريات Hyundai، بما في ذلك أكسيد الليثيوم في بطاريات الليثيوم الهوائية. يقول تشابمان: “تتميز بطاريات الليثيوم الهوائية بكثافة طاقة أعلى من بطاريات الليثيوم الكبريتية ، وبالتالي فهي تمتلك قدرًا أكبر من القوة والإمكانيات”.

في الشراكة الجديدة، ستقوم IonQ بتطوير خوارزميات eigensolver الكمومية المتغيرة والمحسّنة لفحص كيمياء الليثيوم. غالبًا ما تُستخدم هذه الأنواع من الخوارزميات في كيمياء الكم، على سبيل المثال، لنمذجة الحالة الأرضية للجزيء، وهي الحالة التي يحتوي فيها الجزئ على أقل قدر من الطاقة. خوارزميات eigensolver الكمومية المتغيرة هي في الواقع خوارزميات هجينة، حيث تقوم الحواسيب الكلاسيكية بالكثير من العمل بينما تحل المعالجات الكمومية جزءًا من المشكلة الذي يصعب على الآلات التقليدية التعامل معه.

ستقوم IonQ بضم الحواسيب الكلاسيكية والكمية في هذا العمل عبر الخدمة السحابية. يتضمن ذلك أحدث أجهزة الكمبيوتر الكمومية من IonQ، والتي تفوقت مؤخرًا على جميع الأجهزة الأخرى التي تم اختبارها في سلسلة من الاختبارات المعيارية التي يديرها اتحاد الصناعة QED-C والتي تعد حاليًا في مرحلة تجريبية.

في حين أن Google و IBM و Amazon وغيرها غالبًا ما تستخدم الكيوبتات المبنية على حلقات فائقة التوصيل، و تستخدم IonQ الكيوبتات المبنية على الأيونات المحاصرة كهرومغناطيسيًا. الحلقات فائقة التوصيل متوافقة مع تقنية الرقائق الدقيقة التقليدية، لكن الأيونات المحاصرة قد تقدم مزايا مثل مقاومة الأخطاء.

تهدف الشراكة إلى إنشاء نموذج كيميائي للبطاريات الأكثر تقدمًا ومطوّر على الحواسيب الكمومية ، ويقاس بعدد الكيوبتات والبوابات الكمومية، وهي نسخة الحوسبة الكمومية للبوابات المنطقية التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر التقليدية لإجراء العمليات الحسابية.

يقول تشابمان: “يخطط الفريق لتسخير ما لا يقل عن 12 كيوبت وأكثر من 100 بوابة كمومية للمشروع”. وبالمقارنة، فإن الشراكة بين Daimler و IBM باستخدام الحوسبة الكمومية لتطوير الجيل التالي من بطاريات الليثيوم والكبريت استخدمت فقط أربعة كيوبت، ولم تنشر أي نتائج تجارية أخرى حتى الآن.

يتطلع صانعو السيارات بشكل متزايد إلى الحوسبة الكمومية لأنها تُطبق بشكل طبيعي على ثورة تحدث في جميع أنحاء الصناعة – تطوير السيارات الكهربائية. هناك حافز كبير لصنع بطارية أفضل وأقل تكلفة، ولذا فمن المنطقي أن الشركات ذات التفكير المستقبلي مثل Hyundai تضع الكم في مجموعة أدواتها.”

أشارت الشركات إلى أن هذا العمل يهدف إلى تحسين التكلفة، المتانة، السعة، السلامة وسلوك الشحن لبطاريات الليثيوم، والتي غالبًا ما تكون أغلى مكونات السيارات الكهربائية. يقول تشابمان: “تعد السيارات الكهربائية جزءًا مهمًا من توجه العالم نحو تقليل انبعاثات الكربون”. “من المفيد جدًا أن تكون شريك مع Hyundai لتطوير العلوم التي ستساعد في جعلها أكثر شيوعًا”.

وأشار تشابمان انه إلى جانب التحليل الكيميائي لمواد البطاريات، يمكن للحواسيب الكمومية أن تساعد أيضًا في استكشاف تقنيات خلايا الوقود ومتانة المواد. بالإضافة إلى ذلك ، “يمكن استخدام تطبيقات تعلم الآلة الكمي لتحسين وقت التدريب للمركبات ذاتية القيادة وحل المشكلات البسيطة في الصيانة التنبؤية والتخزين وغير ذلك “.

وأضاف تشابمان : “على المدى البعيد، المشاكل الأكثر تعقيدًا مثل الخدمات اللوجستية متعددة القنوات والتوجيه على قوائم البحث والتطوير لشركات صناعة السيارات”. “على سبيل المثال، كانت Volkswagen تختبر الحوسبة الكمومية في مجموعة متنوعة من التطبيقات لعدة سنوات، وتبحث أولاً عن أفضل السبل لتحسين توجيه الحافلات والشاحنات الصغيرة في حركة المرور باستخدام الأجهزة الكمومية والتقنيات المستوحاة من الكم. في الآونة الأخيرة، كانوا يبحثون عن تحسين شبكة توزيع محطات الشحن “.

بشكل عام ، يقول تشابمان: “آمل أن توضح هذه الشراكة أن الكم ليس مفهومًا بعيد المنال مع عدم وجود تطبيق عملي فالوقت حالي” . “إذا اخترت الشريك المناسب واخترت المشكلات المناسبة ، فهناك عمل مؤثر يمكن القيام به.”

المصدر: How Quantum Computers Can Make Batteries Better – IEEE Spectrum

المترجم: أحمد العزابي

المدقق: معتز الحربي