Budućnost znanosti o materijalima: kvantna računala donose revoluciju u istraživanju!

Budućnost znanosti o materijalima: kvantna računala donose revoluciju u istraživanju!

Znanost o materijalima smatra se ključnom disciplinom za ključne buduće projekte kao što su energetska tranzicija, 3D ispis i kvantno računalstvo. Kako bi se unaprijedila digitalizacija u ovom području, od 2019. godine pokrenuta je “MaterialDigital Platform” koju prvenstveno koordinira Tehnološki institut Karlsruhe (KIT). Glavni cilj ove platforme je sustavno i standardizirano rukovanje materijalnim podacima kako bi se značajno poboljšao način rukovanja istima. Ovi napori dobivaju dodatni poticaj kroz potporu Saveznog ministarstva obrazovanja, istraživanja i tehnologije (BMFTR).

Treća faza financiranja zajedničkog projekta započet će u listopadu 2025., koji će se financirati s 3,1 milijuna eura u razdoblju od tri godine do rujna 2028. KIT će preuzeti središnje zadatke u područjima IT arhitekture i radnih tokova te upravljati uredom platforme. Također je vrijedno spomena međunarodno priznanje rada MaterialDigitala, koji dobiva pozornost ne samo u Njemačkoj, već iu Europskoj komisiji, koja planira stvoriti europsku infrastrukturu za digitalnu znanost o materijalima. Trgovački časopisNapredni inženjerski materijalitakođer je objavio posebno izdanje o rezultatima i metodama tvrtke MaterialDigital.

Napredak kroz kvantno računalstvo

Paralelno s tim razvojem, intenzivno se radi na korištenju kvantnih računala u znanosti o materijalima. Projekt QuantiCoM, koji provodi Njemački svemirski centar (DLR) u suradnji s nekoliko partnera, premošćuje jaz između teorijskih principa i praktičnih primjena. Trajanje projekta je od studenog 2022. do listopada 2026., a cilj je razviti alate koji omogućuju brže otkrivanje i razvoj materijala za industrijsku primjenu.

Središnji aspekt je poboljšanje inženjeringa materijala integracijom kvantno mehaničkih učinaka, kao što su superpozicija i isprepletenost, za izračun interakcija u atomskim sustavima. Potrošači i tvrtke mogu imati koristi od ovog istraživanja jer se vrijeme razvoja novih materijala može značajno smanjiti. Inovativni algoritmi koji su posebno razvijeni za korištenje na Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) računalima također igraju važnu ulogu.

Suradnja i publikacije

Suradnja između tri DLR instituta osigurava objedinjavanje znanja u područjima metalnih materijala, molekularne dinamike tekućina i kvantne mehanike baterijskih sustava. Nedavni napredak u kvantnom istraživanju uključuje identificiranje materijalnih sustava s potencijalnim kvantnim prednostima i izvođenje QC simulacija jednostavnih spojeva. Ovo istraživanje posebno je važno za razvoj inovativnih legura na bazi recikliranja i industrijsku upotrebu otpada iz motora s unutarnjim izgaranjem.

Rezultati ovog intenzivnog istraživačkog rada već su zabilježeni u raznim publikacijama. Primjer je nedavno objavljeni rad o optimizaciji bez gradijenta u varijacijskim kvantnim svojstvenim solverima i strategijama za fermionske kvantne simulacije.

Dublje razumijevanje elektroničkih interakcija u materijalima postiže se analizom modela kao što je Fermi-Hubbardov model. Korištenje bučnih kvantnih računala omogućuje simulaciju složenih kvantnih sustava brže od klasičnih računala. Napredak u varijacijskim kvantnim algoritmima (VQA) pokazuje da je istraživanje pripreme optimalnog početnog stanja ključno za uspješan rad s kvantno mehaničkim algoritmima.

Sve u svemu, može se reći da inicijativa MaterialDigital i istraživanje u QuantiCoM-u predstavljaju važne korake u digitalizaciji znanosti o materijalima koji bi mogli imati značajne koristi od korištenja najsuvremenijih tehnologija. Kontinuirana suradnja između znanstvenih institucija i industrijskih partnera bit će ključna za budućnost ove discipline i mogućnost otključavanja novih potencijala u istraživanju materijala.