El futuro de la ciencia de los materiales: ¡los ordenadores cuánticos están revolucionando la investigación!

El futuro de la ciencia de los materiales: ¡los ordenadores cuánticos están revolucionando la investigación!

La ciencia de los materiales se considera una disciplina clave para proyectos futuros clave como la transición energética, la impresión 3D y la computación cuántica. Para avanzar en la digitalización en este ámbito, desde 2019 se puso en marcha la “Plataforma MaterialDigital”, coordinada principalmente por el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT). El objetivo principal de esta plataforma es el manejo sistemático y estandarizado de datos de materiales con el fin de mejorar significativamente la forma en que se manejan. Estos esfuerzos reciben un impulso adicional gracias al apoyo del Ministerio Federal de Educación, Investigación y Tecnología (BMFTR).

En octubre de 2025 comenzará la tercera fase de financiación del proyecto conjunto, que se financiará con 3,1 millones de euros durante un período de tres años hasta septiembre de 2028. KIT asumirá tareas centrales en las áreas de arquitectura de TI y flujos de trabajo y gestionará la oficina de la plataforma. También es digno de mención el reconocimiento internacional del trabajo de MaterialDigital, que está recibiendo atención no sólo en Alemania sino también en la Comisión Europea, que planea crear una infraestructura europea para la ciencia de materiales digitales. la revista comercialMateriales de ingeniería avanzadaTambién ha publicado un número especial sobre los resultados y métodos de MaterialDigital.

Avances a través de la computación cuántica

Paralelamente a estos avances, se está trabajando intensamente en el uso de ordenadores cuánticos en la ciencia de materiales. El proyecto QuantiCoM, llevado a cabo por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en colaboración con varios socios, cierra la brecha entre los principios teóricos y las aplicaciones prácticas. La duración del proyecto se extiende desde noviembre de 2022 hasta octubre de 2026 y el objetivo es desarrollar herramientas que permitan un descubrimiento y desarrollo más rápido de materiales para aplicaciones industriales.

Un aspecto central es la mejora de la ingeniería de materiales mediante la integración de efectos de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, para calcular interacciones en sistemas atómicos. Los consumidores y las empresas pueden beneficiarse de esta investigación, ya que los tiempos de desarrollo de nuevos materiales pueden reducirse significativamente. También influyen los algoritmos innovadores desarrollados específicamente para su uso en computadoras cuánticas ruidosas de escala intermedia (NISQ).

Colaboración y publicaciones

La colaboración entre tres institutos del DLR garantiza la puesta en común de conocimientos en los campos de los materiales metálicos, la dinámica molecular de líquidos y la mecánica cuántica de sistemas de baterías. Los avances recientes en la investigación cuántica incluyen la identificación de sistemas materiales con posibles ventajas cuánticas y la realización de simulaciones de control de calidad de compuestos simples. Esta investigación es particularmente relevante para el desarrollo de aleaciones innovadoras basadas en el reciclaje y el uso industrial de chatarra de motores de combustión interna.

Los resultados de este intenso trabajo de investigación ya han quedado reflejados en diversas publicaciones. Un ejemplo es el trabajo recientemente publicado sobre optimización sin gradientes en solucionadores propios cuánticos variacionales y estrategias para simulaciones cuánticas fermiónicas.

Se logra una comprensión más profunda de las interacciones electrónicas en materiales mediante el análisis de modelos como el modelo de Fermi-Hubbard. El uso de ordenadores cuánticos ruidosos permite simular sistemas cuánticos complejos más rápido que los ordenadores clásicos. Los avances en algoritmos cuánticos variacionales (VQA) muestran que la investigación para preparar un estado inicial óptimo es crucial para trabajar con éxito con algoritmos de mecánica cuántica.

En general, se puede decir que tanto la iniciativa MaterialDigital como la investigación en QuantiCoM representan pasos importantes en la digitalización de la ciencia de los materiales que podrían beneficiarse significativamente del uso de tecnologías de última generación. La colaboración continua entre instituciones científicas y socios industriales será crucial para el futuro de esta disciplina y la posibilidad de desbloquear nuevos potenciales en la investigación de materiales.