空客、宝马联合Quantinuum，量子计算机成功模拟「燃料电池」

光子盒研究院

空中客车公司、宝马集团和 Quantinuum 公司（全球汽车和量子技术领域的领先企业）共同开发了一种量子-经典混合工作流程，以加快未来利用量子计算机模拟量子系统的研究，重点研究燃料电池中催化剂的化学反应。

在一篇题为“量子计算在氧还原反应模拟中的适用性（Applicability of Quantum Computing to Oxygen Reduction Reaction Simulations）”的新技术论文中，三个合作伙伴报告了铂基催化剂表面氧还原反应（ORR）的精确建模情况。

合作团队利用 Quantinuum 的 H 系列量子计算机，展示了量子计算在工业工作流程中的适用性，以增强我们对关键化学反应的理解。现在，三家公司正计划进一步合作，探索如何利用量子计算应对相关的工业挑战。

氧还原反应是燃料电池中将氢和氧转化为水和电的过程中的化学反应，它限制了该过程的效率。它的反应速度相对较慢，而且需要大量的铂催化剂，因此，人们对更好地了解该反应的内在机理非常感兴趣，也非常有价值。

研究团队希望通过对 ORR 反应的了解，能够帮助他们确定替代材料，从而提高燃料电池的性能并降低其生产成本。由于所涉及的化学机制具有量子特性，对经典计算机而言，准确模拟 ORR 等化学反应是一项难以完成的任务，这使得此类模拟成为未来受益于潜在“量子优势”的良好候选者。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）示意图

解离步骤和质子辅助步骤相结合的多步骤路径。黄色箭头表示涉及质子辅助电子转移和 H2O2 分子形成（解离）的步骤。中间产物具有不同质子化水平的决定速率的解离步骤以及 H2O 分子的解吸用红色箭头表示。

ORR 过程中氧解离步骤的通用能量曲线图。

NEB 模拟 O2 分子在 6 层铂(111)模型上解离的最小能量路径。

量子 Espresso 中计算的 Co@Pt 障碍反应阶段的 NEB 反应曲线。

相对于初始状态（正方形），在 DFT 水平（线）和均场高频理论水平（点）计算的活化 Ea 和解离 Ed 能量的比较。黑色、蓝色、红色和绿色分别代表 O2、TS、2O-顺式和 2O-trans 在 Pt(111) 上的吸附剂。

用 DFT 水平计算的活化能量 Ea 和解离能量 Ed（线）与使用 a 面板中的 VQE 能量（点）计算得出的活化能量 Ea 和解离能量 Ed（线）的比较：Qulacs 后端状态矢量仿真器（点）；在面板 b 中：） Quantinuum‘H1-2E’噪声仿真器后端（圆点，误差条是通过 10 批 10k 次拍摄计算得出的）；在面板 c 中：） Quantinuum‘H1-2’设备（黄色菱形，误差带经过 10 批 10k 次拍摄计算得出）。

VQE+QRDM NEVPT2 在状态矢量（SV）和 H1-1E 量子处理器仿真器上对所有状态的计算结果比较（4e, 4o）。

对于此次合作，宝马集团研究技术副总裁 Peter Lehnert 博士说：“循环性和可持续机动性使我们开始寻求新材料，以创造更高效的产品，打造未来的高端用户体验。能够利用量子计算硬件的加速优势模拟材料属性的相关化学精度，为我们在这一决定性领域加快创新速度提供了恰到好处的工具。”

Peter Lehnert

宝马集团研究技术副总裁

作为全球汽车市场的先驱，宝马集团认识到量子计算的变革潜力及其在新材料研究中的重要性，量子计算可以实现更快、更高效的流程，同时减少实验室原型。利用量子计算首次接近并精确模拟最基本的电化学过程之一，标志着向可持续能源转型迈出了实质性的一步，有利于金属空气电池和其他产品提高效率。

空中客车公司中央研究与技术副总裁Isabell Gradert说：“我们可以清楚地预见到这项研究对我们寻求可持续发展和氢动力替代品的益处，例如可能使用燃料电池发动机的 ZEROe 飞机。这项研究证实，量子计算正以我们所需的规模成熟地应用于航空领域。”

Isabell Gradert

空中客车公司中央研究与技术副总裁

空客公司已将氢气确定为低碳飞机的候选动力，因为当氢气由可再生能源产生时，它在飞行时不会排放二氧化碳。该公司此前宣布，计划在未来几年开始在其 ZEROe 演示飞机上测试氢动力燃料电池推进系统。该公司的目标是到 2035 年开发出世界上第一架氢动力商用飞机，并投入市场。

Quantinuum 首席产品官Ilyas Khan说：“我们很高兴能为宝马集团和空中客车公司提供支持，这两家公司都是各自领域的佼佼者，而且都认识到量子计算可以在推动未来可持续机动性方面发挥关键作用。”

“在这项开创性的工作中，我们展示了如何将量子计算整合到世界上技术最先进的两家公司的工业工作流程中，解决材料科学问题，这是利用量子计算取得进展的首要目标。”

关于这项研究的重要意义，实验论文中，团队也表示：“我们的研究为电催化模型的严格非原位研究铺平了道路，并凸显了量子计算在燃料电池建模方面的早期实际应用潜力。”

参考链接：

[1]https://indiashorts.com/bmw-group-airbus-and-quantinuum-collaborate-to-fast-track-sustainable-mobility-research-using-cutting-edge-quantum-computers/137180/

[2]https://arxiv.org/abs/2307.15823

[3]https://thequantuminsider.com/2023/08/02/bmw-group-airbus-and-quantinuum-using-quantum-computers-to-power-sustainable-mobility-research/

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