Το μέλλον της επιστήμης των υλικών: οι κβαντικοί υπολογιστές φέρνουν επανάσταση στην έρευνα!

Το μέλλον της επιστήμης των υλικών: οι κβαντικοί υπολογιστές φέρνουν επανάσταση στην έρευνα!

Η επιστήμη των υλικών θεωρείται βασικός κλάδος για βασικά μελλοντικά έργα, όπως η ενεργειακή μετάβαση, η τρισδιάστατη εκτύπωση και ο κβαντικός υπολογιστής. Προκειμένου να προωθηθεί η ψηφιοποίηση σε αυτόν τον τομέα, έχει ξεκινήσει από το 2019 η «Υλική Ψηφιακή Πλατφόρμα», η οποία συντονίζεται κυρίως από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT). Βασικός στόχος αυτής της πλατφόρμας είναι ο συστηματικός και τυποποιημένος χειρισμός των υλικών δεδομένων προκειμένου να βελτιωθεί σημαντικά ο τρόπος διαχείρισής τους. Αυτές οι προσπάθειες λαμβάνουν επιπλέον ώθηση μέσω της υποστήριξης του Ομοσπονδιακού Υπουργείου Παιδείας, Έρευνας και Τεχνολογίας (BMFTR).

Η τρίτη φάση χρηματοδότησης του κοινού έργου θα ξεκινήσει τον Οκτώβριο του 2025, το οποίο θα χρηματοδοτηθεί με 3,1 εκατομμύρια ευρώ σε μια περίοδο τριών ετών έως τον Σεπτέμβριο του 2028. Το KIT θα αναλάβει κεντρικά καθήκοντα στους τομείς της αρχιτεκτονικής και των ροών εργασιών πληροφορικής και θα λειτουργεί το γραφείο της πλατφόρμας. Αξιοσημείωτη είναι επίσης η διεθνής αναγνώριση του έργου της MaterialDigital, η οποία τυγχάνει προσοχής όχι μόνο στη Γερμανία αλλά και στην Ευρωπαϊκή Επιτροπή, η οποία σχεδιάζει να δημιουργήσει μια ευρωπαϊκή υποδομή για την επιστήμη των ψηφιακών υλικών. Το εμπορικό περιοδικόΠροηγμένα Μηχανικά Υλικάέχει επίσης δημοσιεύσει ένα ειδικό τεύχος για τα αποτελέσματα και τις μεθόδους της MaterialDigital.

Προχωρά μέσω των κβαντικών υπολογιστών

Παράλληλα με αυτές τις εξελίξεις, γίνεται εντατική εργασία για τη χρήση κβαντικών υπολογιστών στην επιστήμη των υλικών. Το έργο QuantiCoM, το οποίο πραγματοποιείται από το Γερμανικό Κέντρο Αεροδιαστημικής (DLR) σε συνεργασία με αρκετούς εταίρους, γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ των θεωρητικών αρχών και των πρακτικών εφαρμογών. Η διάρκεια του έργου εκτείνεται από τον Νοέμβριο του 2022 έως τον Οκτώβριο του 2026 και στόχος είναι η ανάπτυξη εργαλείων που επιτρέπουν την ταχύτερη ανακάλυψη και ανάπτυξη υλικών για βιομηχανικές εφαρμογές.

Μια κεντρική πτυχή είναι η βελτίωση της μηχανικής υλικών με την ενσωμάτωση κβαντομηχανικών επιδράσεων, όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή, για τον υπολογισμό των αλληλεπιδράσεων στα ατομικά συστήματα. Οι καταναλωτές και οι εταιρείες μπορούν να επωφεληθούν από αυτή την έρευνα καθώς οι χρόνοι ανάπτυξης νέων υλικών μπορούν να μειωθούν σημαντικά. Καινοτόμοι αλγόριθμοι που έχουν αναπτυχθεί ειδικά για χρήση σε υπολογιστές Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) παίζουν επίσης ρόλο.

Συνεργασία και δημοσιεύσεις

Η συνεργασία μεταξύ τριών ινστιτούτων DLR διασφαλίζει ότι συγκεντρώνονται γνώσεις στους τομείς των μεταλλικών υλικών, της μοριακής δυναμικής των υγρών και της κβαντικής μηχανικής των συστημάτων μπαταριών. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην κβαντική έρευνα περιλαμβάνουν τον εντοπισμό συστημάτων υλικών με πιθανά κβαντικά πλεονεκτήματα και την εκτέλεση προσομοιώσεων QC απλών ενώσεων. Αυτή η έρευνα είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ανάπτυξη καινοτόμων κραμάτων με βάση την ανακύκλωση και τη βιομηχανική χρήση σκραπ από κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Τα αποτελέσματα αυτής της εντατικής ερευνητικής εργασίας έχουν ήδη καταγραφεί σε διάφορες δημοσιεύσεις. Ένα παράδειγμα είναι η πρόσφατα δημοσιευμένη εργασία για τη βελτιστοποίηση χωρίς κλίση σε μεταβλητές κβαντικές ιδιολύτες και στρατηγικές για φερμιονικές κβαντικές προσομοιώσεις.

Μια βαθύτερη κατανόηση των ηλεκτρονικών αλληλεπιδράσεων στα υλικά επιτυγχάνεται μέσω της ανάλυσης μοντέλων όπως το μοντέλο Fermi-Hubbard. Η χρήση θορυβωδών κβαντικών υπολογιστών καθιστά δυνατή την προσομοίωση πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων ταχύτερα από τους κλασσικούς υπολογιστές. Οι πρόοδοι στους μεταβλητούς κβαντικούς αλγόριθμους (VQA) δείχνουν ότι η έρευνα για την προετοιμασία μιας βέλτιστης αρχικής κατάστασης είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή εργασία με κβαντομηχανικούς αλγόριθμους.

Συνολικά, μπορεί να ειπωθεί ότι τόσο η πρωτοβουλία MaterialDigital όσο και η έρευνα στο QuantiCoM αντιπροσωπεύουν σημαντικά βήματα στην ψηφιοποίηση της επιστήμης των υλικών που θα μπορούσαν να ωφεληθούν σημαντικά από τη χρήση τεχνολογιών αιχμής. Η συνεχής συνεργασία μεταξύ επιστημονικών ιδρυμάτων και βιομηχανικών εταίρων θα είναι ζωτικής σημασίας για το μέλλον αυτού του κλάδου και τη δυνατότητα απελευθέρωσης νέων δυνατοτήτων στην έρευνα υλικών.