Литиевая батарейка похожа на крошечный город: ионы лития — жители, которые переезжают между районами-электродами, создавая ток. Но чтобы понять, сколько энергии город может отдать, нужно знать не только планировку улиц (структуру материала), но и как жители взаимодействуют с соседями, транспортом и даже погодой. В физике батарей это называют обменом с резервуарами — электронным, ионным и тепловым.
Обычные компьютерные модели часто закрывают город на замок, игнорируя эти обмены. Новый квантовый алгоритм поступает иначе: он создаёт для каждого резервуара цепочку-посредника, которая честно передаёт все влияния, но при этом остаётся достаточно простой для вычислений на будущих квантовых компьютерах. Такой подход позволил рассчитать напряжение для двух материалов: фосфата лития-железа и шпинели лития-марганца. Для первого пик на графике ёмкости попал в экспериментальное плато с точностью плюс-минус 5 милливольт — это как предсказать высоту волны с ошибкой в несколько сантиметров. Для второго материала, где ионы марганца разных зарядов создают сложную игру отталкиваний, алгоритм выдал два плато с расщеплением в 125 милливольт. Это всего на 17% меньше реальных 150 милливольт.
Главный сюрприз: тот же самый алгоритм без изменений описывает и совсем другие явления — макроскопическую квантовую когерентность, сверхпроводимость в двух зонах и даже резонанс нейтрино в недрах звёзд. Словно универсальный ключ, он подходит к замкам разной формы. Для полноценного расчёта одной кривой напряжения потребуется около 1,7 триллиона квантовых операций, но их можно разделить на тысячу параллельных траекторий. Это всё ещё вызов для будущих машин, но дорога открыта: квантовый компас для батарейки уже настроен.
Пик ёмкости для одного из материалов предсказали с точностью до 5 милливольт — это примерно одна сотая напряжения обычной пальчиковой батарейки.