1月10日消息，微軟量子計算團(tuán)隊與美國能源部下屬西北太平洋國家實驗室（PNNL）合作，利用Azure Quantum Elements高性能計算資源進(jìn)行模擬和人工智能模型，發(fā)現(xiàn)一種新型電池材料，可用鈉取代電池中約70%的鋰。這一新材料有望廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活，從智能手機(jī)到電動汽車再到電網(wǎng)等。

以下為翻譯全文：

最近，微軟公司的量子計算團(tuán)隊進(jìn)行了一項創(chuàng)新性的實驗，他們改造了一個時鐘，以運行他們與PNNL研究人員合作開發(fā)的實驗電池。他們還在電池的外殼上添加了Azure Quantum Elements的標(biāo)志，這是微軟用于人工智能（AI）增強(qiáng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的平臺，它在開發(fā)新電池技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用。

Azure Quantum Elements的合作伙伴、戰(zhàn)略和運營主管布萊恩·比洛多（Brian Bilodeau）解釋說，這個DIY項目的目的是為了展示電池的潛能。他表示：“我們希望創(chuàng)造一個令人驚嘆的時刻?！倍@個時刻是為了給微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉（Satya Nadella）留下深刻印象。

吸引納德拉的注意并非易事。然而，將大量的Azure高性能計算（HPC）資源投入到解決棘手的技術(shù)挑戰(zhàn)中，正是納德拉所感興趣的領(lǐng)域。納德拉回憶說：“看到這個項目取得成功，我感到非常、非常興奮?！?/p>

為這個時鐘供電的電池代號為CR2032，外觀小巧，看起來就像我們在袖珍計算器或車庫門開啟器中常見的硬幣電池。然而，在電池內(nèi)部，微軟的研究人員使用了一種固態(tài)電解質(zhì)，用鈉取代了電池中約70%的鋰。這種設(shè)計有可能解決鋰電池面臨的一系列問題，如充電壽命有限、容量隨時間下降、在極端溫度下性能不佳，以及可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸等風(fēng)險。此外，減少對鋰的依賴，轉(zhuǎn)而使用豐富且廉價的鈉，可能有助于緩解電池供應(yīng)鏈的壓力。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這種新材料有望應(yīng)用于現(xiàn)代生活的方方面面，從智能手機(jī)到電動汽車再到電網(wǎng)等。然而，微軟將這一突破視為Azure Quantum Elements平臺的有力證明，該平臺旨在為客戶提供服務(wù)。Azure Quantum Elements于去年6月推出，目前仍處于“私人預(yù)覽”階段，并已由英國莊信萬豐等機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試。這些機(jī)構(gòu)正在利用該平臺來幫助設(shè)計催化轉(zhuǎn)換器和氫燃料電池。

微軟化學(xué)和材料合作高級總監(jiān)內(nèi)森·貝克（Nathan Baker）在PNNL工作了12年后于2022年加入微軟，他將電池研究的嘗試視為微軟踐行客戶至上理念的例證。他說：“當(dāng)開發(fā)一款新產(chǎn)品時，我們首先會說：‘好吧，讓我們向自己證明它是可行的，讓我們自己嘗試一下?！?/p>

納德拉也強(qiáng)調(diào)，從電池實驗中獲得的經(jīng)驗將被用于改進(jìn)Azure Quantum Elements平臺。他說：“歸根結(jié)底，重要的是能夠使強(qiáng)大的技術(shù)為普通人所用，這樣其他人就可以開發(fā)出更多的技術(shù)。我盡量避免談?wù)摗覀儌ゴ蟮目茖W(xué)成就’。那不是我們的作風(fēng)?！?/p>

超越試錯

即使擁有59年歷史的PNNL的科學(xué)家們也深知，與微軟的合作是為了實現(xiàn)一個更大的目標(biāo)。長期以來，如何制造更好的電池一直是PNNL的一個關(guān)鍵研究領(lǐng)域。該機(jī)構(gòu)總部位于華盛頓州里奇蘭，距離微軟雷德蒙德總部約320公里。這里的科學(xué)家們明白，陷入困境的實驗室研究可能會陷入死胡同。

100多年前，托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）測試了數(shù)千根燈絲，才發(fā)現(xiàn)一種材料使電燈泡成為現(xiàn)實。這種愿意嘗試任何事情的意愿被稱為愛迪生方法，現(xiàn)在仍然被應(yīng)用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)中。

PNNL的材料科學(xué)小組負(fù)責(zé)人維賈伊·穆魯格桑（Vijay Murugesan）談到傳統(tǒng)研究方法時表示：“這總是一個不斷嘗試和犯錯的過程。即使是在夢中或淋浴時想到的東西，也可能需要兩年的時間來測試其有效性。然后，再重復(fù)這個循環(huán)十年。老實說，成功率并沒有那么高?！?/p>

這種傳統(tǒng)研究方式帶來的影響是深遠(yuǎn)的。PNNL的研究領(lǐng)域廣泛，涵蓋從沿?？茖W(xué)到國家安全等。然而，該實驗室副主任兼首席數(shù)字官布萊恩·亞伯拉罕森（Brian Abrahamson）說：“我們今天進(jìn)行發(fā)現(xiàn)的時間尺度不夠快，無法滿足我們試圖解決的一些全球挑戰(zhàn)。如果我們能在這方面取得重大進(jìn)展，那將是一件大事?！?/p>

微軟的介入為這一切帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。通過將一些前期工作虛擬化，并將其移交給微軟最新、最快的計算機(jī)，可能會在未來幾年改變一切。正如納德拉所說：“我們必須把化學(xué)領(lǐng)域250年的進(jìn)步壓縮到25年，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑就是擁有強(qiáng)大的計算模擬能力。”

以新電池技術(shù)為例，微軟從包含3260萬種材料的數(shù)據(jù)庫開始，通過Azure Quantum Elements高性能計算資源進(jìn)行模擬和人工智能模型運行，將材料數(shù)量大幅減少到50萬種，然后是500種、150種，最后只剩下18種。該公司咨詢了PNNL材料科學(xué)專家，進(jìn)一步篩選名單，最終確定這種鋰鈉材料值得在實驗室合成和測試。

微軟負(fù)責(zé)戰(zhàn)略任務(wù)和技術(shù)執(zhí)行的副總裁、在該公司工作了31年的資深員工杰森·詹德（Jason Zander）表示：“我們只用了兩周時間就篩選了這么多的可能性，并排除了大部分不合格的材料。這比傳統(tǒng)方法快得多，傳統(tǒng)方法有時需要數(shù)年時間?！笨偟膩碚f，從開始到制造大約40個測試電池，微軟的電池項目僅用時一年。除了為時鐘供電外，這些電池還被用來點亮微軟logo的彩燈。

盡管高性能計算在項目中起到了關(guān)鍵作用，但測試新材料仍然需要物理驗證。在PNNL，材料科學(xué)家們需要對相關(guān)材料進(jìn)行手工研磨、壓力測試、在高達(dá)600攝氏度的高溫下熔化等復(fù)雜步驟來進(jìn)行驗證。有時還需要大膽嘗試新技術(shù)。例如，PNNL研究人員發(fā)現(xiàn)通過算法確定的某些材料在實際應(yīng)用中并不容易操作。PNNL材料科學(xué)家香農(nóng)·李（Shannon Lee）說：“在露天情況下晾曬30分鐘后，有些材料會吸收空氣中的水分，變成一種粘稠物?！?/p>

盡管傳統(tǒng)的實驗室實驗方式可能已經(jīng)過時，但這些研究人員仍然堅信計算領(lǐng)域的商業(yè)合作是未來的方向。PNNL與微軟等云服務(wù)提供商建立了靈活的合作關(guān)系，以滿足其按需資源的需求。這種合作伙伴關(guān)系不僅有助于加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還為政府機(jī)構(gòu)提供了一種與商業(yè)公司合作的新模式。

PNNL科學(xué)技術(shù)副主任托尼·佩倫（Tony Peurrung）說：“我們特別傾向于在計算領(lǐng)域建立商業(yè)合作伙伴關(guān)系?！彼a(bǔ)充說，“身處微軟的后院”并沒有損害實驗室與這家軟件巨頭的關(guān)系，PNNL還與其他云計算提供商達(dá)成了協(xié)議。

離不開量子計算

說到微軟和PNNL的電池項目，有一點不得不提。盡管Azure Quantum Elements平臺在開發(fā)過程中起到了關(guān)鍵作用，但量子計算并未直接參與其中。然而，微軟的量子計算部門員工確實參與了這個項目，使得這項成就與量子技術(shù)有著千絲萬縷的聯(lián)系。

所有這些都可以用量子計算機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)來解釋。量子計算利用了量子物理學(xué)的原理，與傳統(tǒng)計算機(jī)的二進(jìn)制比特不同，量子比特可以同時表示0和1。這種神奇的技術(shù)有望使計算機(jī)在處理復(fù)雜計算時變得異常強(qiáng)大，超越現(xiàn)有計算機(jī)的能力。對于需要大量計算資源的工作，如科學(xué)發(fā)現(xiàn)，量子計算機(jī)將發(fā)揮巨大作用。

與IBM和谷歌等其他科技巨頭以及眾多初創(chuàng)公司一樣，微軟也對量子技術(shù)的潛力寄予厚望。然而，這項技術(shù)仍處于發(fā)展階段，尚未成為商業(yè)現(xiàn)實。微軟的高級量子開發(fā)副總裁克里斯塔·斯沃爾（Krista Svore）表示：“我們相信，量子技術(shù)的發(fā)展是按年計算的，而不是按年代計算的?！?/p>

與此同時，傳統(tǒng)的計算機(jī)并未被淘汰。配備功能強(qiáng)大的GPU芯片的計算機(jī)正在實現(xiàn)更具變革性的人工智能功能。這種進(jìn)步使得云端的高性能計算成為可能，而高性能計算正逐漸成為一種服務(wù)，例如Azure資源所提供的服務(wù)，用于精確定位電池材料。

事態(tài)的發(fā)展甚至出乎量子領(lǐng)域的支持者們的意料。納德拉等人士原本認(rèn)為量子計算將是下一個重大突破，但事實證明GPU才是。

無論量子計算技術(shù)如何發(fā)展，它不太可能完全取代用于尋找電池材料的高性能計算。斯沃爾預(yù)測，未來科學(xué)家們將能夠建立一個集高性能計算、人工智能和量子計算于一體的系統(tǒng)，為當(dāng)前無法解決的問題提供更準(zhǔn)確的解決方案。

當(dāng)那個時代真正到來時，探索的邊界將被無限拓寬。微軟的戰(zhàn)略任務(wù)和技術(shù)執(zhí)行副總裁杰森·詹德深有感觸：“我們自以為已經(jīng)知道了很多，但實際上，我們對很多事物的理解還非常膚淺。就像我們連光合作用是如何進(jìn)行的都說不清楚?！?/p>

微軟與PNNL的合作項目為Azure Quantum Elements的發(fā)現(xiàn)渠道提供了寶貴的案例研究。電池技術(shù)的潛在價值是推動微軟進(jìn)行這項研究的關(guān)鍵因素。Azure Quantum Elements的合作伙伴、戰(zhàn)略和運營主管布萊恩·比洛多坦言：“這種項目更容易得到人們的認(rèn)同和理解?！?/p>

盡管微軟和PNNL的研究人員并未透露實驗室中的電池技術(shù)如何實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，但PNNL材料科學(xué)小組的負(fù)責(zé)人維賈伊·穆魯格桑承認(rèn)：“要將這些技術(shù)真正應(yīng)用到消費市場，還有很長的路要走?！倍唐趦?nèi)，他們計劃制造和測試更大的電池，如廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動汽車等領(lǐng)域的“袋式”電池。

微軟似乎看到了其中潛藏的巨大商業(yè)機(jī)會，盡管具體細(xì)節(jié)尚未確定。比洛多表示：“微軟不會涉足電池制造業(yè)務(wù)，同樣，PNNL也不會介入這一領(lǐng)域。規(guī)?；a(chǎn)將是與其他公司合作的項目?！?/p>

無論這項技術(shù)未來將如何應(yīng)用，微軟已經(jīng)實現(xiàn)了其最初目標(biāo)。納德拉自豪地說：“我之所以喜歡這個項目，是因為它不僅在理論上取得了突破，更在實踐中證明了嘗試-犯錯循環(huán)的可行性。通過這種方法，我們可以創(chuàng)造出真正高效的新材料，甚至可能以幾年前還無法想象的速度實現(xiàn)?！?/p>