Materialevidenskabens fremtid: Kvantecomputere revolutionerer forskningen!

Materialevidenskabens fremtid: Kvantecomputere revolutionerer forskningen!

Materialevidenskab betragtes som en nøgledisciplin for fremtidige nøgleprojekter såsom energiomstilling, 3D-print og kvanteberegning. For at fremme digitaliseringen på dette område er der siden 2019 iværksat "MaterialDigital Platform", som primært koordineres af Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Hovedformålet med denne platform er den systematiske og standardiserede håndtering af materialedata med henblik på at forbedre den måde, det håndteres på markant. Disse bestræbelser får et yderligere skub gennem støtte fra det føderale ministerium for uddannelse, forskning og teknologi (BMFTR).

Tredje finansieringsfase af det fælles projekt begynder i oktober 2025, som vil blive finansieret med 3,1 millioner euro over en periode på tre år frem til september 2028. KIT vil påtage sig centrale opgaver inden for områderne it-arkitektur og arbejdsgange og drive platformens kontor. Også bemærkelsesværdig er den internationale anerkendelse af MaterialDigitals arbejde, som får opmærksomhed ikke kun i Tyskland, men også i Europa-Kommissionen, som planlægger at skabe en europæisk infrastruktur for digital materialevidenskab. FagbladetAvancerede tekniske materialerhar desuden udgivet et særnummer om MaterialDigitals resultater og metoder.

Fremskridt gennem kvanteberegning

Sideløbende med denne udvikling arbejdes der intensivt med brugen af ​​kvantecomputere inden for materialevidenskab. QuantiCoM-projektet, som udføres af German Aerospace Center (DLR) i samarbejde med flere partnere, bygger bro mellem teoretiske principper og praktiske anvendelser. Projektets varighed strækker sig fra november 2022 til oktober 2026, og målet er at udvikle værktøjer, der muliggør hurtigere opdagelse og udvikling af materialer til industrielle anvendelser.

Et centralt aspekt er forbedringen af ​​materialeteknik ved at integrere kvantemekaniske effekter, såsom superposition og sammenfiltring, for at beregne interaktioner i atomare systemer. Forbrugere og virksomheder kan drage fordel af denne forskning, da udviklingstiden for nye materialer kan reduceres betydeligt. Innovative algoritmer, der er specielt udviklet til brug på Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computere, spiller også en rolle.

Samarbejde og udgivelser

Samarbejdet mellem tre DLR-institutter sikrer, at viden inden for metalliske materialer, væskers molekylære dynamik og batterisystemers kvantemekanik samles. Nylige fremskridt inden for kvanteforskning omfatter identifikation af materialesystemer med potentielle kvantefordele og udførelse af QC-simuleringer af simple forbindelser. Denne forskning er især relevant for udviklingen af ​​innovative genbrugsbaserede legeringer og industriel brug af skrot fra forbrændingsmotorer.

Resultaterne af dette intensive forskningsarbejde er allerede blevet registreret i forskellige publikationer. Et eksempel er det nyligt publicerede arbejde om gradientfri optimering i variationelle kvanteegenopløsere og strategier til fermioniske kvantesimuleringer.

En dybere forståelse af elektroniske interaktioner i materialer opnås gennem analyse af modeller såsom Fermi-Hubbard-modellen. Brugen af ​​støjende kvantecomputere gør det muligt at simulere komplekse kvantesystemer hurtigere end klassiske computere. Fremskridt inden for Variational Quantum Algorithms (VQA'er) viser, at forskning i at forberede en optimal starttilstand er afgørende for succesfuldt arbejde med kvantemekaniske algoritmer.

Samlet set kan det siges, at både MaterialDigital-initiativet og forskningen i QuantiCoM repræsenterer vigtige skridt i digitaliseringen af ​​materialevidenskab, som kunne drage betydelig fordel af brugen af ​​state-of-the-art teknologier. Fortsat samarbejde mellem videnskabelige institutioner og industrielle partnere vil være afgørende for fremtiden for denne disciplin og muligheden for at frigøre nyt potentiale inden for materialeforskning.