Бъдещето на науката за материалите: квантовите компютри революционизират изследванията!

Бъдещето на науката за материалите: квантовите компютри революционизират изследванията!

Науката за материали се счита за ключова дисциплина за ключови бъдещи проекти като енергиен преход, 3D печат и квантови изчисления. За да се подобри дигитализацията в тази област, от 2019 г. е инициирана „MaterialDigital Platform“, която се координира основно от Технологичния институт в Карлсруе (KIT). Основната цел на тази платформа е систематичното и стандартизирано обработване на материални данни, за да се подобри значително начина, по който се обработват. Тези усилия получават допълнителен тласък чрез подкрепата на Федералното министерство на образованието, изследванията и технологиите (BMFTR).

Третата фаза на финансиране на съвместния проект ще започне през октомври 2025 г., който ще бъде финансиран с 3,1 милиона евро за период от три години до септември 2028 г. KIT ще поеме централни задачи в областта на ИТ архитектурата и работните процеси и ще управлява офиса на платформата. Заслужава да се отбележи и международното признание на работата на MaterialDigital, което получава внимание не само в Германия, но и в Европейската комисия, която планира да създаде европейска инфраструктура за наука за цифрови материали. Търговското списаниеУсъвършенствани инженерни материалисъщо публикува специален брой за резултатите и методите на MaterialDigital.

Напредък чрез квантово изчисление

Паралелно с тези разработки се извършва интензивна работа по използването на квантовите компютри в материалознанието. Проектът QuantiCoM, който се изпълнява от Германския аерокосмически център (DLR) в сътрудничество с няколко партньора, преодолява празнината между теоретичните принципи и практическите приложения. Продължителността на проекта е от ноември 2022 г. до октомври 2026 г., а целта е да се разработят инструменти, които позволяват по-бързо откриване и разработване на материали за индустриални приложения.

Централен аспект е подобряването на инженерството на материалите чрез интегриране на квантово-механични ефекти, като суперпозиция и заплитане, за изчисляване на взаимодействията в атомните системи. Потребителите и компаниите могат да се възползват от това изследване, тъй като времето за разработка на нови материали може да бъде значително намалено. Иновативните алгоритми, които са специално разработени за използване на компютри Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) също играят роля.

Сътрудничество и публикации

Сътрудничеството между три DLR института гарантира, че знанията в областта на металните материали, молекулярната динамика на течностите и квантовата механика на батерийните системи са обединени. Последните постижения в квантовите изследвания включват идентифициране на материални системи с потенциални квантови предимства и извършване на QC симулации на прости съединения. Това изследване е особено важно за разработването на иновативни сплави на базата на рециклиране и промишленото използване на скрап от двигатели с вътрешно горене.

Резултатите от тази интензивна изследователска работа вече са записани в различни публикации. Пример е наскоро публикуваната работа за безградиентна оптимизация в вариационни квантови собствени солвери и стратегии за фермионни квантови симулации.

По-задълбочено разбиране на електронните взаимодействия в материалите се постига чрез анализ на модели като модела на Ферми-Хъбард. Използването на шумни квантови компютри прави възможно симулирането на сложни квантови системи по-бързо от класическите компютри. Напредъкът в вариационните квантови алгоритми (VQA) показва, че изследванията за подготовка на оптимално първоначално състояние са от решаващо значение за успешната работа с квантово-механичните алгоритми.

Като цяло може да се каже, че както инициативата MaterialDigital, така и изследванията в QuantiCoM представляват важни стъпки в дигитализацията на науката за материалите, които биха могли да се възползват значително от използването на най-съвременни технологии. Продължаващото сътрудничество между научни институции и индустриални партньори ще бъде от решаващо значение за бъдещето на тази дисциплина и възможността за отключване на нов потенциал в изследването на материалите.