Medžiagų mokslo ateitis: kvantiniai kompiuteriai keičia mokslinius tyrimus!

Medžiagų mokslo ateitis: kvantiniai kompiuteriai keičia mokslinius tyrimus!

Medžiagų mokslas laikomas pagrindine pagrindinių būsimų projektų, tokių kaip energijos perėjimas, 3D spausdinimas ir kvantinė kompiuterija, disciplina. Siekiant paspartinti skaitmeninimą šioje srityje, nuo 2019 m. inicijuojama „MaterialDigital Platform“, kurią pirmiausia koordinuoja Karlsruhe technologijos institutas (KIT). Pagrindinis šios platformos tikslas – sistemingas ir standartizuotas medžiagų duomenų tvarkymas, siekiant žymiai pagerinti jų tvarkymo būdą. Šios pastangos dar labiau sustiprinamos remiant Federalinei švietimo, tyrimų ir technologijų ministerijai (BMFTR).

Trečiasis bendro projekto finansavimo etapas prasidės 2025 m. spalį, kuris per trejus metus iki 2028 m. rugsėjo mėnesio bus finansuojamas 3,1 mln. Taip pat vertas dėmesio tarptautinis „MaterialDigital“ darbų pripažinimas, kuris sulaukia dėmesio ne tik Vokietijoje, bet ir Europos Komisijoje, kuri planuoja sukurti europinę skaitmeninių medžiagų mokslo infrastruktūrą. Prekybos žurnalasPažangios inžinerinės medžiagostaip pat išleido specialų numerį apie MaterialDigital rezultatus ir metodus.

Pažanga naudojant kvantinį skaičiavimą

Lygiagrečiai su šiais pokyčiais intensyviai dirbama su kvantinių kompiuterių panaudojimu medžiagų moksle. „QuantiCoM“ projektas, kurį vykdo Vokietijos aviacijos ir kosmoso centras (DLR), bendradarbiaudamas su keliais partneriais, panaikina atotrūkį tarp teorinių principų ir praktinio pritaikymo. Projekto trukmė – nuo ​​2022 m. lapkričio mėn. iki 2026 m. spalio mėn., o tikslas – sukurti įrankius, kurie leistų greičiau atrasti ir sukurti pramoniniam pritaikymui skirtas medžiagas.

Pagrindinis aspektas yra medžiagų inžinerijos tobulinimas integruojant kvantinius mechaninius efektus, tokius kaip superpozicija ir įsipainiojimas, siekiant apskaičiuoti sąveiką atominėse sistemose. Vartotojai ir įmonės gali gauti naudos iš šio tyrimo, nes gali žymiai sutrumpėti naujų medžiagų kūrimo laikas. Taip pat svarbų vaidmenį atlieka naujoviški algoritmai, specialiai sukurti naudoti triukšminguose vidutinio masto kvantiniuose (NISQ) kompiuteriuose.

Bendradarbiavimas ir publikacijos

Trijų DLR institutų bendradarbiavimas užtikrina metalinių medžiagų, skysčių molekulinės dinamikos ir baterijų sistemų kvantinės mechanikos žinių sujungimą. Naujausi kvantinių tyrimų pasiekimai apima medžiagų sistemų, turinčių potencialių kvantinių pranašumų, nustatymą ir paprastų junginių QC modeliavimą. Šis tyrimas ypač svarbus kuriant novatoriškus perdirbimu pagrįstus lydinius ir pramoniniam vidaus degimo variklių laužo panaudojimui.

Šio intensyvaus tiriamojo darbo rezultatai jau užfiksuoti įvairiose publikacijose. Pavyzdys yra neseniai paskelbtas darbas apie optimizavimą be gradientų kintamų kvantinių savųjų sprendėjų ir fermioninių kvantinių modeliavimų strategijų.

Gilesnis supratimas apie elektroninę sąveiką medžiagose pasiekiamas analizuojant tokius modelius kaip Fermi-Hubbard modelis. Triukšmingų kvantinių kompiuterių naudojimas leidžia greičiau nei klasikiniai kompiuteriai imituoti sudėtingas kvantines sistemas. Variacinių kvantinių algoritmų (VQA) pažanga rodo, kad optimalios pradinės būsenos paruošimo tyrimai yra labai svarbūs norint sėkmingai dirbti su kvantiniais mechaniniais algoritmais.

Apskritai galima teigti, kad tiek „MaterialDigital“ iniciatyva, tiek „QuantiCoM“ tyrimai yra svarbūs medžiagotyros skaitmeninimo žingsniai, kuriems būtų labai naudinga naudoti naujausias technologijas. Nuolatinis mokslo institucijų ir pramonės partnerių bendradarbiavimas bus labai svarbus šios disciplinos ateičiai ir galimybei atskleisti naują medžiagų tyrimų potencialą.