量子计算：清洁能源革命的新引擎

量子计算：清洁能源革命的新引擎

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来源

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2023年11月，美国橡树岭国家实验室（ORNL）宣布了一项重大突破：通过使用Quantinuum H1-1量子计算机，科学家们发现了提升太阳能电池效率的新算法。这一发现可能打破传统太阳能电池33%的效率上限，为清洁能源技术带来革命性进展。

这一突破性研究展示了量子计算在清洁能源领域的巨大潜力。从太阳能到核聚变，从电池材料到气候模拟，量子计算正在以前所未有的速度推动清洁能源技术的发展，为全球可持续发展注入新的动力。

太阳能：效率突破在即

ORNL的研究团队通过模拟单线态裂变过程，发现线性H4分子的能量水平符合裂变要求。这种裂变过程可以打破传统太阳能电池的效率限制。研究团队使用了基于Peeters-Devreese-Soldatov（PDS）方法的量子求解器，这种方法比传统的密度泛函理论更精确，同时计算量更小。

ORNL量子计算科学小组的研究科学家Daniel Claudino表示：“单线态裂变的能量围绕着双电子激发，即两个电子同时移动到更高的能级，这很难用传统计算机的算法来确定。但量子计算机可以自然地处理导致这种单线态裂变现象的量子相关性。”

风能：优化与预测

在风能领域，量子计算可以显著提升风力发电的效率和可靠性。通过量子计算，可以更精确地模拟大气流动和涡轮叶片的空气动力学特性，从而优化风力发电机的设计。此外，量子计算还能提高天气预报的准确性，帮助预测风力发电的输出功率，实现更有效的电网调度。

水能：破解电子结构之谜

瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队使用先进的计算方法，破解了水的电子结构问题。他们采用“多体微扰理论”来研究水分子中电子的相互作用，准确预测了水的电离势、电子亲和力和带隙等关键性质。这些发现对于理解水如何与光和其他物质在电子水平上相互作用至关重要。

微软量子计算团队与美国能源部下属西北太平洋国家实验室（PNNL）合作，利用Azure Quantum Elements高性能计算资源，发现了一种新型电池材料。这种新材料可以用钠取代电池中约70%的锂，解决了锂电池存在的诸多问题，如充电寿命有限、容量随时间下降、极端温度下性能不佳，以及可能引发火灾甚至爆炸等风险。

微软首席执行官萨蒂亚·纳德拉表示：“看到这个项目取得成功，我感到非常、非常兴奋。”这一突破不仅展示了量子计算在材料科学中的强大能力，也为未来清洁能源存储技术的发展开辟了新的道路。

在核聚变研究领域，量子计算同样展现出了巨大的潜力。美国国家点火装置（NIF）首次实现了核聚变反应的“净能量增益”，即产生的能源大于消耗的能源。这一突破被认为是人类向可控核聚变能源迈进的重要一步。

微软Azure量子系统在量子位保持时间上创下新纪录，实现了按需读出量子位，并将量子态保持完整超过5秒。这一进展为未来构建更稳定的量子计算机奠定了基础，有望加速核聚变研究的进程。

美国能源部宣布拨款3300万美元，支持14个清洁能源研究项目，显示出政府对这一领域的高度重视。同时，国际合作也在不断深化。丹麦启动了首台AI超级计算机Gefion，由Novo Nordisk基金会和丹麦出口与投资基金资助，将用于量子计算、清洁能源、生物技术等领域的研究。

Gefion是一台英伟达DGX SuperPOD AI超级计算机，由1528个英伟达H100 Tensor Core GPU驱动。目前，Gefion正在开展多个试点项目，包括天气预报、量子计算模拟和基因组研究等，展现了跨领域合作的广阔前景。

量子计算正在为清洁能源革命注入新的动力。从优化可再生能源效率到开发新型电池材料，从模拟核聚变反应到推动政策与国际合作，量子计算展现出前所未有的潜力。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，我们有理由相信，量子计算将为实现全球可持续发展目标做出更大贡献。