微軟量子運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高效能運算資源進行模擬與人工智慧模型，發現一種新型電池材料，可用鈉取代電池中約70%的鋰。這項新材料有望廣泛應用於現代生活，從智慧型手機到電動車再到電網等。

以下為翻譯全文：

最近，微軟公司的量子運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慧（AI）增強科學發現的平台，它在開發新電池技術方面發揮了重要作用。

Azure Quantum Elements的合作夥伴、策略和營運主管布萊恩·比洛多（Brian Bilodeau）解釋說，這個DIY計畫的目的是為了展示電池的潛能。他表示：「我們希望創造一個令人驚嘆的時刻。」而這個時刻是為了給微軟執行長薩蒂亞·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高效能運算（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。”

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，在電池內部，微軟的研究人員使用了固態電解質，並以鈉取代了電池中約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、在極端溫度下效能不佳，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。

隨著科技的進一步發展，這種新材料有望應用於現代生活的方方面面，從智慧型手機到電動車再到電網等。然而，微軟將這項突破視為Azure Quantum Elements平台的有力證明，該平台旨在為客戶提供服務。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代理商進行測試。這些機構正在利用該平台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為微軟實踐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用於改進Azure Quantum Elements平台。他說：“歸根結底，重要的是能夠使強大的技術為普通人所用，這樣其他人就可以開發出更多的技術。我盡量避免談論’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年歷史的PNNL的科學家也深知，與微軟的合作是為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，距離微軟雷德蒙總部約320公里。這裡的科學家明白，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）測試了數千根燈絲，才發現一種材料使電燈泡成為現實。這種願意嘗試任何事情的意願被稱為愛迪生方法，現在仍然被應用於科學發現。

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。”

這種傳統研究方式所帶來的影響是深遠的。PNNL的研究領域廣泛，涵蓋從海岸科學到國家安全等。然而，實驗室副主任兼首席數位長布萊恩·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。”

微軟的介入為這一切帶來了轉折。透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。”

以新電池技術為例，微軟從包含3260萬種材料的資料庫開始，透過Azure Quantum Elements高效能運算資源進行模擬和人工智慧模型運行，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。

微軟負責策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：「我們只花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，微軟的電池專案僅用時一年。除了為時鐘供電外，這些電池還被用來點亮微軟logo的彩燈。

儘管高效能運算在專案中起到了關鍵作用，但測試新材料仍然需要物理驗證。在PNNL，材料科學家需要對相關材料進行手動研磨、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研究人員發現透過演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與微軟等雲端服務供應商建立了靈活的合作關係，以滿足其按需資源的需求。這種合作關係不僅有助於加速科學發現，也為政府機構提供了與商業公司合作的新模式。

PNNL科學技術副主任托尼·佩倫（Tony Peurrung）說：「我們特別傾向於在計算領域建立商業合作夥伴關係。」他補充說，「身處微軟的後院」並沒有損害實驗室與這家軟體巨頭的關係，PNNL也與其他雲端運算供應商達成了協議。

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平台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，微軟的量子運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著千絲萬縷的聯繫。

所有這些都可以用量子計算機的當前狀態來解釋。量子運算利用了量子物理學的原理，與傳統電腦的二進位位元不同，量子位元可以同時表示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，量子電腦將發揮巨大作用。

與IBM和Google等其他科技巨頭以及眾多新創公司一樣，微軟也對量子科技的潛力寄予厚望。然而，這項技術仍處於發展階段，尚未成為商業現實。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。”

同時，傳統的計算機並未被淘汰。配備功能強大的GPU晶片的電腦正在實現更具變革性的人工智慧功能。這種進步使得雲端的高效能運算成為可能，而高效能運算正逐漸成為一種服務，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為量子運算將是下一個重大突破，但事實證明GPU才是。

無論量子運算技術如何發展，它不太可能完全取代用於尋找電池材料的高效能運算。斯沃爾預測，未來科學家將能夠建立一個集高效能運算、人工智慧和量子運算於一體的系統，為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。微軟的策略任務和技術執行副總裁傑森·詹德深有感觸：「我們自以為已經知道了很多，但實際上，我們對許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的合作計畫為Azure Quantum Elements的發現管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的合作夥伴、策略和營運主管布萊恩·比洛多坦言：“這種專案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，例如廣泛應用於電子產品、電動車等領域的「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，微軟已經實現了最初目標。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-犯錯循環的可行性。透過這種方法，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像的速度實現。」（小小）