Budoucnost materiálové vědy: kvantové počítače znamenají revoluci ve výzkumu!

Budoucnost materiálové vědy: kvantové počítače znamenají revoluci ve výzkumu!

Věda o materiálech je považována za klíčovou disciplínu pro klíčové budoucí projekty, jako je energetický přechod, 3D tisk a kvantové výpočty. S cílem posunout digitalizaci v této oblasti byla od roku 2019 iniciována „MaterialDigital Platform“, kterou koordinuje především Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Hlavním cílem této platformy je systematické a standardizované nakládání s materiálovými daty s cílem výrazně zlepšit způsob nakládání s nimi. Toto úsilí získává další podporu díky podpoře Spolkového ministerstva školství, výzkumu a technologie (BMFTR).

Třetí fáze financování společného projektu začne v říjnu 2025, která bude financována částkou 3,1 milionu eur po dobu tří let do září 2028. KIT převezme ústřední úkoly v oblastech IT architektury a pracovních postupů a bude provozovat kancelář platformy. Pozoruhodné je také mezinárodní uznání práce MaterialDigital, kterému se dostává pozornosti nejen v Německu, ale i v Evropské komisi, která plánuje vytvořit evropskou infrastrukturu pro vědu o digitálních materiálech. Obchodní časopisPokročilé inženýrské materiálytaké publikoval speciální číslo o výsledcích a metodách MaterialDigital.

Pokroky díky kvantovým výpočtům

Souběžně s tímto vývojem se intenzivně pracuje na využití kvantových počítačů v materiálové vědě. Projekt QuantiCoM, který realizuje Německé centrum pro letectví a kosmonautiku (DLR) ve spolupráci s několika partnery, překlenuje propast mezi teoretickými principy a praktickými aplikacemi. Doba trvání projektu je od listopadu 2022 do října 2026 a cílem je vyvinout nástroje, které umožní rychlejší objevování a vývoj materiálů pro průmyslové aplikace.

Ústředním aspektem je zlepšení materiálového inženýrství integrací kvantově mechanických efektů, jako je superpozice a zapletení, pro výpočet interakcí v atomových systémech. Spotřebitelé a společnosti mohou mít z tohoto výzkumu prospěch, protože doba vývoje nových materiálů se může výrazně zkrátit. Svou roli hrají také inovativní algoritmy, které jsou speciálně vyvinuty pro použití na počítačích NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum).

Spolupráce a publikace

Spolupráce mezi třemi instituty DLR zajišťuje spojení znalostí v oblasti kovových materiálů, molekulární dynamiky kapalin a kvantové mechaniky bateriových systémů. Nedávné pokroky v kvantovém výzkumu zahrnují identifikaci materiálových systémů s potenciálními kvantovými výhodami a provádění QC simulací jednoduchých sloučenin. Tento výzkum je zvláště důležitý pro vývoj inovativních slitin na bázi recyklace a průmyslové využití šrotu ze spalovacích motorů.

Výsledky této intenzivní výzkumné práce již byly zaznamenány v různých publikacích. Příkladem je nedávno publikovaná práce o optimalizaci bez gradientu ve variačních kvantových vlastních řešičích a strategiích pro fermionické kvantové simulace.

Hlubšího pochopení elektronických interakcí v materiálech je dosaženo pomocí analýzy modelů, jako je Fermi-Hubbardův model. Použití hlučných kvantových počítačů umožňuje simulovat složité kvantové systémy rychleji než klasické počítače. Pokroky ve variačních kvantových algoritmech (VQA) ukazují, že výzkum přípravy optimálního počátečního stavu je zásadní pro úspěšnou práci s kvantově mechanickými algoritmy.

Celkově lze říci, že jak iniciativa MaterialDigital, tak výzkum v QuantiCoM představují důležité kroky v digitalizaci materiálové vědy, které by mohly významně těžit z využívání nejmodernějších technologií. Pokračující spolupráce mezi vědeckými institucemi a průmyslovými partnery bude klíčová pro budoucnost této disciplíny a možnost uvolnění nového potenciálu v materiálovém výzkumu.