Avenir de la science des matériaux : les ordinateurs quantiques révolutionnent la recherche !

Avenir de la science des matériaux : les ordinateurs quantiques révolutionnent la recherche !

La science des matériaux est considérée comme une discipline clé pour des projets futurs clés tels que la transition énergétique, l’impression 3D et l’informatique quantique. Afin de faire progresser la numérisation dans ce domaine, la « MaterialDigital Platform » a été lancée depuis 2019, coordonnée principalement par l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT). L'objectif principal de cette plateforme est le traitement systématique et standardisé des données matériaux afin d'améliorer considérablement leur traitement. Ces efforts reçoivent un élan supplémentaire grâce au soutien du ministère fédéral de l’Éducation, de la Recherche et de la Technologie (BMFTR).

La troisième phase de financement du projet commun débutera en octobre 2025 et sera financée à hauteur de 3,1 millions d'euros sur une période de trois ans jusqu'en septembre 2028. KIT assumera des tâches centrales dans les domaines de l'architecture informatique et des flux de travail et exploitera le bureau de la plateforme. Il convient également de noter la reconnaissance internationale du travail de MaterialDigital, qui retient l'attention non seulement en Allemagne mais aussi au sein de la Commission européenne, qui envisage de créer une infrastructure européenne pour la science des matériaux numériques. La revue spécialiséeMatériaux d'ingénierie avancésa également publié un numéro spécial sur les résultats et les méthodes de MaterialDigital.

Avancées grâce à l’informatique quantique

Parallèlement à ces développements, des travaux intensifs sont menés sur l'utilisation des ordinateurs quantiques en science des matériaux. Le projet QuantiCoM, réalisé par le Centre aérospatial allemand (DLR) en collaboration avec plusieurs partenaires, comble le fossé entre les principes théoriques et les applications pratiques. La durée du projet s'étend de novembre 2022 à octobre 2026 et l'objectif est de développer des outils permettant une découverte et un développement plus rapides de matériaux pour des applications industrielles.

Un aspect central est l'amélioration de l'ingénierie des matériaux en intégrant les effets de la mécanique quantique, tels que la superposition et l'intrication, pour calculer les interactions dans les systèmes atomiques. Les consommateurs et les entreprises peuvent bénéficier de cette recherche, car les délais de développement de nouveaux matériaux peuvent être considérablement réduits. Les algorithmes innovants spécialement développés pour être utilisés sur les ordinateurs Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) jouent également un rôle.

Collaborations et publications

La collaboration entre trois instituts du DLR garantit la mise en commun des connaissances dans les domaines des matériaux métalliques, de la dynamique moléculaire des liquides et de la mécanique quantique des systèmes de batteries. Les progrès récents dans la recherche quantique comprennent l’identification de systèmes de matériaux présentant des avantages quantiques potentiels et la réalisation de simulations QC de composés simples. Ces recherches sont particulièrement pertinentes pour le développement d’alliages innovants basés sur le recyclage et la valorisation industrielle des déchets issus des moteurs à combustion interne.

Les résultats de ce travail de recherche intensif ont déjà été consignés dans diverses publications. Un exemple est les travaux récemment publiés sur l’optimisation sans gradient dans les solveurs propres quantiques variationnels et les stratégies de simulations quantiques fermioniques.

Une compréhension plus approfondie des interactions électroniques dans les matériaux est obtenue grâce à l'analyse de modèles tels que le modèle de Fermi-Hubbard. L’utilisation d’ordinateurs quantiques bruyants permet de simuler des systèmes quantiques complexes plus rapidement que les ordinateurs classiques. Les progrès des algorithmes quantiques variationnels (VQA) montrent que la recherche sur la préparation d’un état initial optimal est cruciale pour travailler avec succès avec les algorithmes de mécanique quantique.

Dans l’ensemble, on peut dire que l’initiative MaterialDigital et la recherche dans QuantiCoM représentent des étapes importantes dans la numérisation de la science des matériaux qui pourraient bénéficier de manière significative de l’utilisation de technologies de pointe. Une collaboration continue entre les institutions scientifiques et les partenaires industriels sera cruciale pour l’avenir de cette discipline et la possibilité de libérer de nouveaux potentiels dans la recherche sur les matériaux.