Mit Quantencomputing zu bahnbrechenden Energiequellen
Mitsubishi Chemical betreibt Forschung und Entwicklung im Batteriesektor – und das in rasantem Tempo
Ansicht von oben auf eine Straße im Wald

Das Lithiumatom ist eines der leichtesten Atome im Periodensystem. Seine Eigenschaften machen es zu einem idealen Element für die Energieerzeugung in Kombination mit anderen Elementen. Diese Symbiose aus geringem Gewicht und großem Energiepotenzial ist das Geheimnis für die Hauptrolle, die Lithium im Großteil der Batteriechemie des 21. Jahrhunderts spielt.

Betrachten wir nun die heutigen Elektrofahrzeuge, die von Lithium-Ionen-Zellen angetrieben werden, die seit Jahrzehnten schrittweise verbessert wurden. Dennoch sind die Batterien in jedem Elektrofahrzeug das schwerste Bauteil. Dieses zusätzliche Gewicht schränkt das Leistungspotenzial des Fahrzeugs ein. Im Gegensatz dazu ist das Versprechen der Lithium-Sauerstoff-Batterien, zumindest auf dem Papier, alles andere als inkrementell. Es stellt einen sprunghaften Anstieg der Energiemenge dar, die eine Batterie im Vergleich zu ihrem Gewicht erzeugen kann. Theoretisch könnte Lithium-Sauerstoff für eine leichtere Batterie verwendet werden, die mit einer einzigen Ladung viel weiter reicht.

Erhöhte Energiedichte

 

Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien haben eine dreimal höhere spezifische Energiedichte als frühere Blei-Säure-Zellen

Multiplizierte Energiedichte

 

Leichtere Lithium-Sauerstoff-Batterien verfügen potenziell über die 5-15-fache spezifische Energiedichte der heutigen Lithium-Ionen-Zellen

Die größten ungelösten Probleme der Welt existieren schon seit Jahrzehnten – und das, weil wir mit denselben Werkzeugen an ihnen arbeiten. Das Versprechen des Quantencomputings eröffnet uns jedoch neue Möglichkeiten. Es ist das, was ganze Branchen verändern und umwälzen wird. Es ist ein neues Werkzeug. Jamie Garcia Senior Manager of Quantum Algorithms Applications and Theory at IBM
Auf der Suche nach dem Quantenverständnis

Für die chemische Industrie könnte die Umsetzung dieser Theorie in ein marktfähiges Produkt ein florierendes Profit-Center für die kommenden Jahrzehnte schaffen – mit Anwendungen für alles von Mobilgeräten über Autos bis hin zu ungeahnten neuen Formen des Transports. Aus diesem Grund haben Jamie Garcia, Senior Manager of Quantum Algorithms, Applications and Theory bei IBM, und ihr Team von Quantenchemikern viel Zeit in Videokonferenzen mit Forscherkollegen bei Mitsubishi Chemical in Japan verbracht.

Das IBM Quantum Team wurde von Qi Gao von Mitsubishi Chemical und Professor Naoki Yamamoto von der Keio Universität angesprochen, um den komplexen Mechanismus der Lithium-Superoxid-Umlagerung zu modellieren und zu untersuchen – ein wichtiger chemischer Schritt in Lithium-Sauerstoff-Batterien. Ihre Zusammenarbeit legt den Grundstein für die Simulation und schließlich die Untersuchung eines Problems, das mit einer realen Anwendung auf einem Quantencomputer verbunden ist.

Eine solche Aufgabe ist selbst auf den leistungsstärksten Supercomputern von heute nicht effizient zu bewältigen. Für das Forschungs- und Entwicklungsteam von Mitsubishi Chemical hat sich die Modellierung einer derart komplexen elektrochemischen Reaktion auf einem klassischen Computer als unglaublich schwierig erwiesen. Durch die Zusammenarbeit mit den Teams von IBM und IBM Q Hub an der Keio Universität erforscht Mitsubishi Chemical, wie man Quantencomputer zur Erstellung genauer Simulationen der Vorgänge innerhalb einer chemischen Reaktion auf molekularer Ebene einsetzen kann.

Der Forschungsbeschleuniger

Die meisten Chemiker, die mit traditioneller Laborarbeit vertraut sind, wissen, dass es Stunden, Monate und sogar Jahre erfordern kann, um das chemische Geschehen im Kolben zu verstehen und es zu kontrollieren. Das Quantencomputing verspricht, all dies zu beschleunigen.

Mitsubishi Chemical erkennt den Wert dieses Versprechens. Das Unternehmen ist weltweit führend in der Synthese innovativer Materialien und beliefert Dutzende von Branchen (Automobil, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Energieerzeugung, Verkehrsinfrastruktur, Bauwesen), die alle einen gemeinsamen Bedarf haben: bessere Werkzeuge zur Lösung dringender Probleme.

Mitsubishi Chemical bedient die vielfältigen Bedürfnisse vieler Branchen und betreibt daher per Definition umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Wie viele andere Mitglieder des IBM Quantum Network verfügt das Unternehmen über spezielle Budgets für die Molekularsimulation und investiert in die Möglichkeiten, die das Quantencomputing bieten kann. Auf Unternehmensebene kann dies zu transkontinentalen Kooperationen führen – in diesem Fall zwischen interdisziplinären Forschungsteams von Mitsubishi Chemical, der Keio Universität in Tokio und IBM.

„Wenn man sich die größten ungelösten Probleme der Welt ansieht, sind das Herausforderungen, die schon seit Jahrzehnten bestehen“, sagt Jamie Garcia, Senior Manager für Quantenalgorithmen, Anwendungen und Theorie bei IBM. „Und das liegt daran, weil wir mit denselben Werkzeugen an ihnen arbeiten. Wir erreichen jedoch ein Plateau bei dem, was wir tatsächlich erreichen können. Das Versprechen des Quantencomputings eröffnet uns jedoch neue Möglichkeiten. Es ist das, was ganze Branchen verändern und umwälzen wird. Es ist ein neues Werkzeug.“

Bei der Erforschung bestimmter Teile dieser chemischen Reaktionen mit Quantencomputern gibt es diese kleinen Aha-Momente. Es gibt immer etwas Neues zu entdecken und eine nächste Frage zu beantworten. Jamie Garcia Senior Manager of Quantum Algorithms Applications and Theory at IBM
Mit neu durchdachten Algorithmen zu Aha-Momenten

Das Forschungstriumvirat aus Mitsubishi Chemical, der Keio Universität und IBM Quantum arbeitet daran, das Potenzial von Lithium-Sauerstoff als Energiequelle besser zu verstehen. Hierfür werden neue Algorithmen eingesetzt, die sich die Vorteile des Quantencomputers zunutze machen.

Eine neue Art von Algorithmen, die in der völlig neuen Hardware- und Softwareumgebung von Quantum laufen, hat bereits quantitativ korrekte Berechnungsergebnisse für komplizierte chemische Reaktionen beim Entladungsprozess von Lithium-Sauerstoff-Batterien geliefert. Indem sie die molekularen Grundlagen durch ein neues Objektiv betrachten, wollen die Forscher außerdem neue Erkenntnisse gewinnen und Phänomene beobachten, die nicht allgemein als bekannt oder erwartet gelten.

„Wenn man bestimmte Teile dieser Reaktionen mit Quantencomputern so detailliert und tiefgründig erforscht, bekommt man diese kleinen Aha-Momente“, sagt Jamie Garcia von IBM. „Es gibt also viele Gründe, warum die Verwendung dieser Quantensysteme für die Chemie sehr sinnvoll ist. Es gibt immer etwas Neues zu entdecken und eine nächste Frage zu beantworten.“

Über Mitsubishi Chemical, IBM Quantum Network

Mitsubishi Chemical (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) hat es sich zur Aufgabe gemacht, weltweit innovative Lösungen zu entwickeln, die auf unseren Kernwerten Nachhaltigkeit, Gesundheit und Wohlbefinden beruhen und das Wohlergehen der Menschen, der Gesellschaft und unseres Planeten Erde anstreben.

Über IBM Quantum Network

IBM Quantum Network ist eine Gemeinschaft von Fortune-500-Unternehmen, akademischen Einrichtungen, Startups und nationalen Forschungslabors, die mit IBM an der Weiterentwicklung des Quantencomputings arbeiten.

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Hergestellt in den Vereinigten Staaten von Amerika, März 2020.

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