近日，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)利用 Quantinuum H1-1 量子计算机，展示了如何使用前沿的量子计算技术来模拟和探索太阳能电池材料中的复杂相互作用的最佳实践。
研究显示，其解决问题的时间从几个月缩短到几周，验证了量子计算机在太阳能领域应用的可行性。
同时，研究为发展高效的太阳能电池材料提供了有力的科学依据，将有望大大提升太阳能电池效率。
相关研究以“Modeling Singlet Fission on a Quantum Computer”为题，发表在《物理化学快报》。
01. 单线态裂变：太阳能电池的效率关键
通过模拟单线态裂变（Singlet fission，一种分子吸收单个光子从而产生两个激发态的过程），研究团队证明了线性H4分子的能量水平完美适应了裂变过程的要求。
简言之，直链H4分子是由四个氢原子直线排列形成的分子。这种分子的能级与单线态裂变及其相关的量子态的能量有着直接的联系。更为关键的是，这些能级可能为我们开发效率更高的太阳能电池提供关键知识。
橡树岭国家实验室量子计算科学小组的首席研究员、研究科学家Daniel Claudino指出：“单线态裂变是提高传统太阳能电池效率的关键。虽然传统太阳能电池的理论最大效率约为33%，但使用具有单线态裂变特性的材料有望打破此限制，并且效率更高”。
02. 解决量子计算中的挑战
然而，单线态裂变此过程已在多种材料中被观察到，但如何系统地利用它在实践中仍是一大挑战。
单线态裂变是一种多态现象，因此橡树岭国家实验室团队需要一种计算方法，能够平等地描述该过程的所有量子态，以计算准确的能量数。
ORNL研究人员利用量子计算机 Quantinuum H1-1，成功模拟并确定了具有单线态裂变特性的分子。他们的发现，线性H4分子，满足了这一特性的能量需求，为发展高效的太阳能电池材料提供了有力的科学依据。
更为重要的是，这项研究展示了量子计算在实际应用中的巨大潜力。相较于传统计算机，量子计算机可以更为高效地处理涉及单线态裂变现象的复杂量子相关性问题。
Claudino表示：“单线态裂变与双电子激发有关，这是传统计算机算法难以确定的。量子计算机的工作方式能够自然处理这种量子相关性，这使得它在处理此类问题上独具优势。”
图｜橡树岭的研究小组使用多种策略来确保结果准确，同时减少研究的计算负载。（来源：Adam Malin/ORNL）
ORNL 团队成员应用了三种独立的策略来减少问题的计算工作量，从而将解决问题的时间从几个月缩短到几周。
首先，在一种称为量子比特逐渐减少的技术中，他们减少了表达问题所需的量子比特数量，从而减小了问题本身的规模。
其次，他们通过一次测量术语组而不是测量每个组中的每个单独术语来减少测量次数来解决问题。
第三，他们没有单独实现每个电路，而是找到了一种并行运行四个电路的方法，从而允许他们使用 H1-1 中的所有 20 个量子比特。
Claudino表示：“我们意识到，如果我们想把整个东西扔进量子计算机中，它是行不通的，因为它对于当前的技术来说仍然太多了。这个想法是，你想要设想一种利用量子计算机的方法，但仅限于我们知道它们可以比传统计算机执行得更好的特定任务，然而，即便如此，你仍然受到当前技术水平的限制，它只允许我们达到一定的规模或执行只需要这么长时间的任务。这是转向量子计算机时的主要瓶颈。”
图｜Quantinuum H1-1 量子计算机的腔室（来源：Quantinuum）
03. 量子计算：面向未来的技术
尽管量子计算在当前仍面临技术瓶颈，但ORNL的这次研究已经成功地将处理时间从数月减少到数周，证明了当前量子计算机解决可能影响日常生活的科学问题的可行性。
研究人员计划继续扩展其研究领域，从单线态裂变探究到更广泛的物质与光的相互作用，期待为未来的太阳能技术开辟新的研究路径。
Claudino表示：“尽管这些方法已被发表，但它们还远未被广泛采用。我们为研究人员提供了一个强有力的理由，那就是如果他们不采纳这些技术，他们可能会失去宝贵的量子资源。”
引用：
[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c01106?ref=pdf
[2]https://www.pnnl.gov/publications/increasing-accuracy-quantum-algorithms
[3]https://energy.gov/science
[4]https://www.pv-magazine.com/2023/08/04/quantum-physics-supercomputers-and-solar-cell-efficiency/
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