مستقبل علوم المواد: أجهزة الكمبيوتر الكمومية تُحدث ثورة في الأبحاث!

مستقبل علوم المواد: أجهزة الكمبيوتر الكمومية تُحدث ثورة في الأبحاث!

يعتبر علم المواد تخصصًا رئيسيًا للمشاريع المستقبلية الرئيسية مثل تحول الطاقة والطباعة ثلاثية الأبعاد والحوسبة الكمومية. ومن أجل تعزيز الرقمنة في هذا المجال، تم إطلاق "منصة المواد الرقمية" منذ عام 2019، والتي يتم تنسيقها بشكل أساسي من قبل معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT). الهدف الرئيسي لهذه المنصة هو التعامل المنهجي والموحد مع بيانات المواد من أجل تحسين طريقة التعامل معها بشكل كبير. وتتلقى هذه الجهود دفعة إضافية من خلال دعم الوزارة الاتحادية للتعليم والبحث والتكنولوجيا (BMFTR).

ستبدأ مرحلة التمويل الثالثة للمشروع المشترك في أكتوبر 2025، والتي سيتم تمويلها بمبلغ 3.1 مليون يورو على مدى ثلاث سنوات حتى سبتمبر 2028. وستتولى KIT مهام مركزية في مجالات هندسة تكنولوجيا المعلومات وسير العمل وتشغيل مكتب المنصة. ومن الجدير بالذكر أيضًا الاعتراف الدولي بعمل شركة MaterialDigital، والذي يحظى بالاهتمام ليس فقط في ألمانيا ولكن أيضًا في المفوضية الأوروبية، التي تخطط لإنشاء بنية تحتية أوروبية لعلوم المواد الرقمية. المجلة التجاريةالمواد الهندسية المتقدمةكما نشر أيضًا عددًا خاصًا عن نتائج وطرق MaterialDigital.

التقدم من خلال الحوسبة الكمومية

وبالتوازي مع هذه التطورات، يجري العمل المكثف على استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية في علم المواد. يعمل مشروع QuantiCoM، الذي ينفذه مركز الطيران الألماني (DLR) بالتعاون مع العديد من الشركاء، على سد الفجوة بين المبادئ النظرية والتطبيقات العملية. وتمتد مدة المشروع من نوفمبر 2022 إلى أكتوبر 2026، والهدف هو تطوير الأدوات التي تتيح اكتشاف وتطوير المواد بشكل أسرع للتطبيقات الصناعية.

الجانب المركزي هو تحسين هندسة المواد من خلال دمج تأثيرات ميكانيكا الكم، مثل التراكب والتشابك، لحساب التفاعلات في الأنظمة الذرية. يمكن للمستهلكين والشركات الاستفادة من هذا البحث حيث يمكن تقليل أوقات تطوير المواد الجديدة بشكل كبير. تلعب الخوارزميات المبتكرة التي تم تطويرها خصيصًا للاستخدام على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الحجم المتوسط ​​(NISQ) دورًا أيضًا.

التعاون والمنشورات

ويضمن التعاون بين ثلاثة معاهد تابعة للمركز الألماني لشؤون الفضاء الجوي (DLR) تجميع المعرفة في مجالات المواد المعدنية، والديناميكيات الجزيئية للسوائل، وميكانيكا الكم لأنظمة البطاريات. تشمل التطورات الحديثة في أبحاث الكم تحديد أنظمة المواد ذات المزايا الكمومية المحتملة وإجراء عمليات محاكاة مراقبة الجودة للمركبات البسيطة. ويرتبط هذا البحث بشكل خاص بتطوير السبائك المبتكرة القائمة على إعادة التدوير والاستخدام الصناعي للخردة الناتجة عن محركات الاحتراق الداخلي.

وقد تم بالفعل تسجيل نتائج هذا العمل البحثي المكثف في منشورات مختلفة. ومن الأمثلة على ذلك العمل المنشور مؤخرًا حول التحسين الخالي من التدرج في المحلول الذاتي الكمي المتغير واستراتيجيات المحاكاة الكمومية الفرميونية.

يتم تحقيق فهم أعمق للتفاعلات الإلكترونية في المواد من خلال تحليل نماذج مثل نموذج فيرمي هوبارد. إن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصاخبة يجعل من الممكن محاكاة الأنظمة الكمومية المعقدة بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يُظهر التقدم في خوارزميات الكم المتغيرة (VQAs) أن البحث في إعداد الحالة الأولية المثالية أمر بالغ الأهمية للعمل بنجاح مع خوارزميات ميكانيكا الكم.

بشكل عام، يمكن القول أن كلاً من مبادرة MaterialDigital والبحث في QuantiCoM يمثلان خطوات مهمة في رقمنة علوم المواد التي يمكن أن تستفيد بشكل كبير من استخدام أحدث التقنيات. سيكون التعاون المستمر بين المؤسسات العلمية والشركاء الصناعيين أمرًا حاسمًا لمستقبل هذا التخصص وإمكانية إطلاق العنان لإمكانات جديدة في أبحاث المواد.