微軟利用AI篩選新電池材料，用鈉取代電池中七成鋰

1月10日消息，微軟量子計算團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高性能計算資源進行模擬和人工智能模型，發現一種新型電池材料，可用鈉取代電池中約70%的鋰。這一新材料有望廣泛應用於現代生活，從智能手機到電動汽車再到電網等。

以下爲翻譯全文：

最近，微軟公司的量子計算團隊進行了一項創新性的實驗，他們改造了一個時鐘，以運行他們與PNNL研究人員合作開發的實驗電池。他們還在電池的外殼上添加了Azure Quantum Elements的標誌，這是微軟用於人工智能（AI）增強科學發現的平臺，它在開發新電池技術方面發揮了重要作用。

Azure Quantum Elements的合作伙伴、戰略和運營主管布萊恩·比洛多（Brian Bilodeau）解釋說，這個DIY項目的目的是爲了展示電池的潛能。他表示：“我們希望創造一個令人驚歎的時刻。”而這個時刻是爲了給微軟首席執行官薩蒂亞·納德拉（Satya Nadella）留下深刻印象。

吸引納德拉的注意並非易事。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挑戰中，正是納德拉所感興趣的領域。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。”

爲這個時鐘供電的電池代號爲CR2032，外觀小巧，看起來就像我們在袖珍計算器或車庫門開啓器中常見的硬幣電池。然而，在電池內部，微軟的研究人員使用了一種固態電解質，用鈉取代了電池中約70%的鋰。這種設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，以及可能引發火災甚至爆炸等風險。此外，減少對鋰的依賴，轉而使用豐富且廉價的鈉，可能有助於緩解電池供應鏈的壓力。

隨着技術的進一步發展，這種新材料有望應用於現代生活的方方面面，從智能手機到電動汽車再到電網等。然而，微軟將這一突破視爲Azure Quantum Elements平臺的有力證明，該平臺旨在爲客戶提供服務。Azure Quantum Elements於去年6月推出，目前仍處於“私人預覽”階段，並已由英國莊信萬豐等機構進行測試。這些機構正在利用該平臺來幫助設計催化轉換器和氫燃料電池。

微軟化學和材料合作高級總監內森·貝克（Nathan Baker）在PNNL工作了12年後於2022年加入微軟，他將電池研究的嘗試視爲微軟踐行客戶至上理念的例證。他說：“當開發一款新產品時，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。’”

納德拉也強調，從電池實驗中獲得的經驗將被用於改進Azure Quantum Elements平臺。他說：“歸根結底，重要的是能夠使強大的技術爲普通人所用，這樣其他人就可以開發出更多的技術。我儘量避免談論‘我們偉大的科學成就’。那不是我們的作風。”

超越試錯

即使擁有59年曆史的PNNL的科學家們也深知，與微軟的合作是爲了實現一個更大的目標。長期以來，如何製造更好的電池一直是PNNL的一個關鍵研究領域。該機構總部位於華盛頓州里奇蘭，距離微軟雷德蒙德總部約320公里。這裡的科學家們明白，陷入困境的實驗室研究可能會陷入死衚衕。

100多年前，托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）測試了數千根燈絲，才發現一種材料使電燈泡成爲現實。這種願意嘗試任何事情的意願被稱爲愛迪生方法，現在仍然被應用於科學發現中。

PNNL的材料科學小組負責人維賈伊·穆魯格桑（Vijay Murugesan）談到傳統研究方法時表示：“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。然後，再重複這個循環十年。老實說，成功率並沒有那麼高。”

這種傳統研究方式帶來的影響是深遠的。PNNL的研究領域廣泛，涵蓋從沿海科學到國家安全等。然而，該實驗室副主任兼首席數字官布萊恩·亞伯拉罕森（Brian Abrahamson）說：“我們今天進行發現的時間尺度不夠快，無法滿足我們試圖解決的一些全球挑戰。如果我們能在這方面取得重大進展，那將是一件大事。”

微軟的介入爲這一切帶來了轉機。通過將一些前期工作虛擬化，並將其移交給微軟最新、最快的計算機，可能會在未來幾年改變一切。正如納德拉所說：“我們必須把化學領域250年的進步壓縮到25年，而實現這一目標的唯一途徑就是擁有強大的計算模擬能力。”

以新電池技術爲例，微軟從包含3260萬種材料的數據庫開始，通過Azure Quantum Elements高性能計算資源進行模擬和人工智能模型運行，將材料數量大幅減少到50萬種，然後是500種、150種，最後只剩下18種。該公司諮詢了PNNL材料科學專家，進一步篩選名單，最終確定這種鋰鈉材料值得在實驗室合成和測試。

微軟負責戰略任務和技術執行的副總裁、在該公司工作了31年的資深員工傑森·詹德（Jason Zander）表示：“我們只用了兩週時間就篩選了這麼多的可能性，並排除了大部分不合格的材料。這比傳統方法快得多，傳統方法有時需要數年時間。”總的來說，從開始到製造大約40個測試電池，微軟的電池項目僅用時一年。除了爲時鐘供電外，這些電池還被用來點亮微軟logo的彩燈。

儘管高性能計算在項目中起到了關鍵作用，但測試新材料仍然需要物理驗證。在PNNL，材料科學家們需要對相關材料進行手工研磨、壓力測試、在高達600攝氏度的高溫下熔化等複雜步驟來進行驗證。有時還需要大膽嘗試新技術。例如，PNNL研究人員發現通過算法確定的某些材料在實際應用中並不容易操作。PNNL材料科學家香農·李（Shannon Lee）說：“在露天情況下晾曬30分鐘後，有些材料會吸收空氣中的水分，變成一種粘稠物。”

儘管傳統的實驗室實驗方式可能已經過時，但這些研究人員仍然堅信計算領域的商業合作是未來的方向。PNNL與微軟等雲服務提供商建立了靈活的合作關係，以滿足其按需資源的需求。這種合作伙伴關係不僅有助於加速科學發現，還爲政府機構提供了一種與商業公司合作的新模式。

PNNL科學技術副主任託尼·佩倫（Tony Peurrung）說：“我們特別傾向於在計算領域建立商業合作伙伴關係。”他補充說，“身處微軟的後院”並沒有損害實驗室與這家軟件巨頭的關係，PNNL還與其他雲計算提供商達成了協議。

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。儘管Azure Quantum Elements平臺在開發過程中起到了關鍵作用，但量子計算並未直接參與其中。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有着千絲萬縷的聯繫。

所有這些都可以用量子計算機的當前狀態來解釋。量子計算利用了量子物理學的原理，與傳統計算機的二進制比特不同，量子比特可以同時表示0和1。這種神奇的技術有望使計算機在處理複雜計算時變得異常強大，超越現有計算機的能力。對於需要大量計算資源的工作，如科學發現，量子計算機將發揮巨大作用。

與IBM和谷歌等其他科技巨頭以及衆多初創公司一樣，微軟也對量子技術的潛力寄予厚望。然而，這項技術仍處於發展階段，尚未成爲商業現實。微軟的高級量子開發副總裁克里斯塔·斯沃爾（Krista Svore）表示：“我們相信，量子技術的發展是按年計算的，而不是按年代計算的。”

與此同時，傳統的計算機並未被淘汰。配備功能強大的GPU芯片的計算機正在實現更具變革性的人工智能功能。這種進步使得雲端的高性能計算成爲可能，而高性能計算正逐漸成爲一種服務，例如Azure資源所提供的服務，用於精確定位電池材料。

事態的發展甚至出乎量子領域的支持者們的意料。納德拉等人士原本認爲量子計算將是下一個重大突破，但事實證明GPU纔是。

無論量子計算技術如何發展，它不太可能完全取代用於尋找電池材料的高性能計算。斯沃爾預測，未來科學家們將能夠建立一個集高性能計算、人工智能和量子計算於一體的系統，爲當前無法解決的問題提供更準確的解決方案。

當那個時代真正到來時，探索的邊界將被無限拓寬。微軟的戰略任務和技術執行副總裁傑森·詹德深有感觸：“我們自以爲已經知道了很多，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行的都說不清楚。”

微軟與PNNL的合作項目爲Azure Quantum Elements的發現渠道提供了寶貴的案例研究。電池技術的潛在價值是推動微軟進行這項研究的關鍵因素。Azure Quantum Elements的合作伙伴、戰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同和理解。”

儘管微軟和PNNL的研究人員並未透露實驗室中的電池技術如何實現規模化生產，但PNNL材料科學小組的負責人維賈伊·穆魯格桑承認：“要將這些技術真正應用到消費市場，還有很長的路要走。”短期內，他們計劃製造和測試更大的電池，如廣泛應用於電子產品、電動汽車等領域的“袋式”電池。

微軟似乎看到了其中潛藏的巨大商業機會，儘管具體細節尚未確定。比洛多表示：“微軟不會涉足電池製造業務，同樣，PNNL也不會介入這一領域。規模化生產將是與其他公司合作的項目。”

無論這項技術未來將如何應用，微軟已經實現了其最初目標。納德拉自豪地說：“我之所以喜歡這個項目，是因爲它不僅在理論上取得了突破，更在實踐中證明了嘗試-犯錯循環的可行性。通過這種方法，我們可以創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。”（小小）