Materjaliteaduse tulevik: kvantarvutid muudavad teadustöös revolutsiooni!

Materjaliteaduse tulevik: kvantarvutid muudavad teadustöös revolutsiooni!

Materjaliteadust peetakse peamiste tulevaste projektide, nagu energiaüleminek, 3D-printimine ja kvantarvutite jaoks, võtmedistsipliiniks. Selle valdkonna digitaliseerimise edendamiseks on alates 2019. aastast algatatud “MaterialDigital Platform”, mida koordineerib eelkõige Karlsruhe Tehnoloogiainstituut (KIT). Selle platvormi põhieesmärk on materjalide andmete süstemaatiline ja standardiseeritud käitlemine, et oluliselt parandada nende käsitlemise viisi. Need jõupingutused saavad täiendava tõuke föderaalse haridus-, teadus- ja tehnoloogiaministeeriumi (BMFTR) toetuse kaudu.

2025. aasta oktoobris algab ühisprojekti kolmas rahastamisetapp, mida rahastatakse 3,1 miljoni euroga kolme aasta jooksul kuni septembrini 2028. KIT võtab enda kanda kesksed ülesanded IT arhitektuuri ja töövoogude valdkondades ning opereerib platvormi kontorit. Märkimisväärne on ka rahvusvaheline tunnustus MaterialDigitali tööle, mis pälvib tähelepanu lisaks Saksamaale ka Euroopa Komisjonis, mis plaanib luua Euroopa digitaalse materjaliteaduse infrastruktuuri. KaubandusajakiriTäiustatud tehnilised materjalidon avaldanud ka eriväljaande MaterialDigitali tulemuste ja meetodite kohta.

Edusammud kvantarvutuse kaudu

Paralleelselt nende arengutega käib intensiivne töö kvantarvutite kasutamise kallal materjaliteaduses. QuantiCoMi projekt, mida viib läbi Saksa lennunduskeskus (DLR) koostöös mitme partneriga, ületab lõhe teoreetiliste põhimõtete ja praktiliste rakenduste vahel. Projekti kestus ulatub 2022. aasta novembrist 2026. aasta oktoobrini ning eesmärgiks on välja töötada tööriistu, mis võimaldavad kiiremini leida ja arendada materjale tööstuslikeks rakendusteks.

Keskne aspekt on materjalitehnoloogia täiustamine, integreerides aatomisüsteemide interaktsioonide arvutamiseks kvantmehaanilisi efekte, nagu superpositsioon ja takerdumine. Tarbijad ja ettevõtted saavad sellest uuringust kasu, kuna uute materjalide väljatöötamise aega saab oluliselt lühendada. Oma rolli mängivad ka uuenduslikud algoritmid, mis on spetsiaalselt välja töötatud kasutamiseks müraga keskmise skaala kvantarvutites (NISQ).

Koostöö ja publikatsioonid

Kolme DLR-instituudi koostöö tagab metallimaterjalide, vedelike molekulaardünaamika ja akusüsteemide kvantmehaanika alaste teadmiste koondamise. Hiljutised edusammud kvantuuringutes hõlmavad potentsiaalsete kvanteelistega materjalisüsteemide tuvastamist ja lihtsate ühendite QC simulatsioonide läbiviimist. See uurimus on eriti oluline uuenduslike ringlussevõtul põhinevate sulamite väljatöötamiseks ja sisepõlemismootorite jääkide tööstuslikuks kasutamiseks.

Selle intensiivse uurimistöö tulemusi on juba erinevates väljaannetes fikseeritud. Näiteks on hiljuti avaldatud töö variatiivsete kvantomalahendajate ja fermioonsete kvantsimulatsioonide strateegiate gradiendivaba optimeerimise kohta.

Materjalide elektrooniliste interaktsioonide sügavam mõistmine saavutatakse selliste mudelite analüüsiga nagu Fermi-Hubbardi mudel. Mürarohkete kvantarvutite kasutamine võimaldab simuleerida keerulisi kvantsüsteeme kiiremini kui klassikalised arvutid. Variatiivsete kvantalgoritmide (VQA) edusammud näitavad, et optimaalse algoleku ettevalmistamise uurimine on kvantmehaaniliste algoritmidega edukaks töötamiseks ülioluline.

Kokkuvõttes võib öelda, et nii MaterialDigitali algatus kui ka QuantiCoMi uuringud kujutavad endast olulisi samme materjaliteaduse digitaliseerimisel, mis võiksid tipptehnoloogiate kasutamisest märkimisväärselt kasu saada. Jätkuv koostöö teadusasutuste ja tööstuspartnerite vahel on selle distsipliini tuleviku ja materjaliuuringute uue potentsiaali avamise seisukohalt ülioluline.