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氫有望成為未來(lái)的燃料——它能很好地儲(chǔ)存能量，并且是碳中和的。然而，利用氫高效地產(chǎn)生能量依賴于對(duì)氫化學(xué)及其與氧的催化反應(yīng)的量子力學(xué)理解。這些反應(yīng)發(fā)生在一種叫做燃料電池的裝置中，燃料電池是未來(lái)氫經(jīng)濟(jì)的核心成分。
燃料電池比內(nèi)燃機(jī)早了24年，但盡管在阿波羅登月任務(wù)中使用過(guò)，它從未被主流采用。盡管效率高，但燃料電池和電池一樣，需要催化劑和電解質(zhì)——促進(jìn)氫和氧受控反應(yīng)的材料——來(lái)快速將氫和氧結(jié)合并轉(zhuǎn)化為能量。這些部件的高成本和低耐用性是燃料電池商業(yè)化的最大障礙。
例如，絕大多數(shù)燃料電池技術(shù)都采用鉑作為首選催化劑。雖然昂貴且對(duì)燃料雜質(zhì)敏感，但鉑允許燃料電池實(shí)現(xiàn)比汽油基解決方案更好的重量性能，同時(shí)只排放水。然而，將這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)得足夠便宜以進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化是一個(gè)很大的要求，因?yàn)槌晒θQ于對(duì)這些系統(tǒng)的復(fù)雜化學(xué)和材料特性的理解。
了解燃料電池在量子體系中的內(nèi)部運(yùn)作，可能會(huì)對(duì)它們的采用以及向氫經(jīng)濟(jì)的更廣泛過(guò)渡產(chǎn)生變革性的影響。但要實(shí)現(xiàn)這一理解，存在一個(gè)根本性的挑戰(zhàn):科學(xué)家們幾十年來(lái)開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)分子行為的技術(shù)受到了困難的阻礙，即經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法有效模擬支撐化學(xué)的量子力學(xué)。沒(méi)有這種微觀理解，尋找更好的催化劑和電解質(zhì)是愛(ài)迪生式的——許多艱難的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)不斷的改進(jìn)完成的，而不是由計(jì)算驅(qū)動(dòng)的廣泛探索。
幸運(yùn)的是，這些量子問(wèn)題可以用一種新的計(jì)算方法來(lái)解決。量子計(jì)算機(jī)利用單個(gè)離子、電子或光子量子態(tài)的獨(dú)特性質(zhì)(疊加和糾纏等現(xiàn)象)來(lái)存儲(chǔ)和操縱數(shù)據(jù)。這意味著模擬大量不同化學(xué)構(gòu)型的復(fù)雜計(jì)算可以使用在這個(gè)大空間中自然運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)來(lái)解決。一臺(tái)大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)將使這些棘手的問(wèn)題變得可行，并為更有效地尋找更好的催化劑和電解質(zhì)打開(kāi)大門。
還沒(méi)有人造出如此大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，今天的量子位容易出錯(cuò)，限制了可以可靠執(zhí)行的操作數(shù)量。提高量子硬件的穩(wěn)定性和規(guī)模是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵部分，但同樣重要的是實(shí)施技術(shù)，使量子計(jì)算機(jī)能夠檢測(cè)和糾正自己的錯(cuò)誤，這一過(guò)程被稱為量子糾錯(cuò)。理論上已經(jīng)演示了幾種進(jìn)行量子糾錯(cuò)的方法，但是在真正的量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這些方法需要一個(gè)設(shè)備來(lái)解決這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題解碼問(wèn)題每秒識(shí)別錯(cuò)誤數(shù)十億次?？朔@些科學(xué)和工程挑戰(zhàn)將使我們獲得所謂的“容錯(cuò)”設(shè)備，量子計(jì)算機(jī)將使科學(xué)家能夠理解催化劑和其他材料的特性。
Riverlane與Johnson Matthey和量子硬件制造商Rigetti一起，在過(guò)去的一年里一直致力于一些重要的初步步驟，這些步驟將在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)量子模擬，并解決解碼問(wèn)題，以便在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模模擬。我們最近通過(guò)在里格蒂量子計(jì)算機(jī)上的現(xiàn)場(chǎng)演示分享了這一合作的第一個(gè)結(jié)果，倫敦的觀眾選擇了一個(gè)相關(guān)化學(xué)的小例子，并在加利福尼亞進(jìn)行了計(jì)算。
為了實(shí)現(xiàn)這一演示，需要為這一高度特定的應(yīng)用編寫(xiě)量子代碼，并且需要大量的專業(yè)知識(shí)和時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。Riverlane、Rigetti、Johnson Matthey團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科方式使我們能夠通過(guò)整合問(wèn)題所有領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)來(lái)有效地提供解決方案。這使得化學(xué)家能夠用量子計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言編寫(xiě)模擬，而不必迷失在電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)中。
這些模擬還處于早期階段，但隨著量子計(jì)算遵循自己的摩爾定律(性能每?jī)赡攴环?，我們有望在未來(lái)十年全面了解氫催化中涉及的力和相互作用。最關(guān)鍵的下一步將是通過(guò)構(gòu)建更好的量子比特和解決解碼問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)機(jī)制。
鉑催化劑上氫分子的相互作用聽(tīng)起來(lái)很深?yuàn)W，但其重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。對(duì)氫鉑化學(xué)的更好理解將使我們深入了解燃料電池的內(nèi)部運(yùn)作，并使我們了解分子如何與催化表面相互作用。這反過(guò)來(lái)會(huì)把我們帶入一個(gè)世界，在這個(gè)世界里，我們故意設(shè)計(jì)明天的材料，而不是試圖憑經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)什么是有效的。
此外，量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可能是許多領(lǐng)域的突破，這將加速凈零經(jīng)濟(jì)。它們的使用可能會(huì)導(dǎo)致捕獲一氧化碳的新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2，無(wú)碳燃料的發(fā)明，目前高碳排放氨生產(chǎn)的替代工藝，或者通過(guò)電解產(chǎn)生氫的效率的突破——甚至像工廠一樣直接使用光。
向氫經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡將需要?dú)渥鳛槿剂系漠a(chǎn)生、儲(chǔ)存和使用——化學(xué)的量子效應(yīng)在所有領(lǐng)域都發(fā)揮了作用，量子計(jì)算機(jī)可以顯著加速發(fā)現(xiàn)的所有地方都是如此。綜上所述，這將使我們能夠現(xiàn)實(shí)地使用可再生能源來(lái)制造氫和燃料電池，并根據(jù)需求將其轉(zhuǎn)化為電能。如今，這種往返在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。但是明天，量子計(jì)算帶來(lái)的深刻理解可以帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)高效且負(fù)擔(dān)得起的氫經(jīng)濟(jì)。
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