Materiaalitieteen tulevaisuus: kvanttitietokoneet mullistavat tutkimuksen!

Materiaalitieteen tulevaisuus: kvanttitietokoneet mullistavat tutkimuksen!

Materiaalitiedettä pidetään keskeisenä tieteenalana keskeisille tuleville projekteille, kuten energiasiirtymä, 3D-tulostus ja kvanttilaskenta. Digitalisaation edistämiseksi tällä alueella on vuodesta 2019 lähtien käynnistetty ”MaterialDigital Platform”, jota koordinoi ensisijaisesti Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Tämän alustan päätavoitteena on materiaalitietojen systemaattinen ja standardoitu käsittely sen käsittelytavan parantamiseksi merkittävästi. Nämä ponnistelut saavat lisäpotkua liittovaltion opetus-, tutkimus- ja teknologiaministeriön (BMFTR) tuella.

Yhteishankkeen kolmas rahoitusvaihe alkaa lokakuussa 2025, ja se rahoitetaan 3,1 miljoonalla eurolla kolmen vuoden aikana syyskuuhun 2028 saakka. KIT ottaa keskeisiä tehtäviä IT-arkkitehtuurin ja työnkulkujen alueilla sekä operoi alustan toimistoa. Huomionarvoista on myös MaterialDigitalin työn kansainvälinen tunnustus, joka saa huomiota paitsi Saksassa myös Euroopan komissiossa, joka suunnittelee eurooppalaisen infrastruktuurin luomista digitaaliselle materiaalitieteelle. AmmattilehtiKehittyneet tekniset materiaaliton myös julkaissut erikoisnumeron MaterialDigitalin tuloksista ja menetelmistä.

Edistyy kvanttilaskennan kautta

Samanaikaisesti tämän kehityksen kanssa tehdään intensiivistä työtä kvanttitietokoneiden hyödyntämiseksi materiaalitieteessä. QuantiCoM-projekti, jonka Saksan Aerospace Center (DLR) toteuttaa yhteistyössä useiden kumppanien kanssa, kaventaa kuilua teoreettisten periaatteiden ja käytännön sovellusten välillä. Hanke kestää marraskuusta 2022 lokakuuhun 2026, ja tavoitteena on kehittää työkaluja, jotka mahdollistavat materiaalien nopeamman löytämisen ja kehittämisen teollisiin sovelluksiin.

Keskeinen näkökohta on materiaalitekniikan parantaminen integroimalla kvanttimekaanisia vaikutuksia, kuten superpositiota ja takertumista, laskemaan vuorovaikutuksia atomijärjestelmissä. Kuluttajat ja yritykset voivat hyötyä tästä tutkimuksesta, sillä uusien materiaalien kehitysajat voivat lyhentyä merkittävästi. Myös innovatiivisilla algoritmeilla, jotka on kehitetty käytettäviksi Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) -tietokoneissa, on myös rooli.

Yhteistyö ja julkaisut

Kolmen DLR-instituutin yhteistyö varmistaa metallimateriaalien, nesteiden molekyylidynamiikan ja akkujärjestelmien kvanttimekaniikan osaamisen yhdistämisen. Viimeaikaisia ​​edistysaskeleita kvanttitutkimuksessa ovat materiaalijärjestelmien tunnistaminen, joilla on potentiaalisia kvanttietuja, ja yksinkertaisten yhdisteiden QC-simulaatioiden suorittaminen. Tämä tutkimus on erityisen tärkeä innovatiivisten kierrätykseen perustuvien metalliseosten kehittämisen ja polttomoottoreiden romun teollisen käytön kannalta.

Tämän intensiivisen tutkimustyön tulokset on jo tallennettu useisiin julkaisuihin. Esimerkkinä on äskettäin julkaistu työ gradienttivapaasta optimoinnista vaihtelevissa kvanttiominaisratkaisuissa ja fermionisten kvanttisimulaatioiden strategioissa.

Syvempi ymmärrys materiaalien elektronisista vuorovaikutuksista saavutetaan analysoimalla malleja, kuten Fermi-Hubbard-mallia. Meluisten kvanttitietokoneiden käyttö mahdollistaa monimutkaisten kvanttijärjestelmien simuloinnin klassisia tietokoneita nopeammin. Variational Quantum Algorithms (VQA) -algoritmien edistysaskel osoittaa, että tutkimus optimaalisen alkutilan valmistelemiseksi on ratkaisevan tärkeää kvanttimekaanisten algoritmien menestyksekkäälle työlle.

Kaiken kaikkiaan voidaan sanoa, että sekä MaterialDigital-aloite että QuantiCoM-tutkimus ovat tärkeitä askelia materiaalitieteen digitalisoinnissa, jotka voivat hyötyä merkittävästi uusimpien teknologioiden käytöstä. Jatkuva yhteistyö tieteellisten laitosten ja teollisten kumppanien välillä on ratkaisevan tärkeää tämän tieteenalan tulevaisuudelle ja mahdollisuudelle avata uusia mahdollisuuksia materiaalitutkimuksessa.