Materiālzinātnes nākotne: kvantu datori maina pētniecību!

Materiālzinātnes nākotne: kvantu datori maina pētniecību!

Materiālzinātne tiek uzskatīta par galveno disciplīnu galvenajiem nākotnes projektiem, piemēram, enerģijas pārejai, 3D drukāšanai un kvantu skaitļošanai. Lai veicinātu digitalizāciju šajā jomā, kopš 2019. gada ir uzsākta “MaterialDigital Platform”, kuru galvenokārt koordinē Karlsrūes Tehnoloģiju institūts (KIT). Šīs platformas galvenais mērķis ir sistemātiska un standartizēta materiālu datu apstrāde, lai būtiski uzlabotu veidu, kā tie tiek apstrādāti. Šie centieni saņem papildu stimulu, pateicoties Federālās Izglītības, pētniecības un tehnoloģiju ministrijas (BMFTR) atbalstam.

Kopprojekta trešā finansēšanas fāze sāksies 2025. gada oktobrī, kas tiks finansēta ar 3,1 miljonu eiro trīs gadu periodā līdz 2028. gada septembrim. KIT uzņemsies centrālos uzdevumus IT arhitektūras un darbplūsmu jomās un pārvaldīs platformas biroju. Ievērības cienīga ir arī starptautiskā atzinība MaterialDigital darbam, kam tiek pievērsta uzmanība ne tikai Vācijā, bet arī Eiropas Komisijā, kas plāno izveidot Eiropas infrastruktūru digitālajai materiālu zinātnei. Tirdzniecības žurnālsUzlaboti inženiertehniskie materiāliir arī publicējis īpašu izdevumu par MaterialDigital rezultātiem un metodēm.

Kvantu skaitļošanas attīstība

Paralēli šīm norisēm notiek intensīvs darbs pie kvantu datoru izmantošanas materiālu zinātnē. QuantiCoM projekts, ko Vācijas Aviācijas un kosmosa centrs (DLR) īsteno sadarbībā ar vairākiem partneriem, novērš plaisu starp teorētiskajiem principiem un praktisko pielietojumu. Projekta ilgums ir no 2022. gada novembra līdz 2026. gada oktobrim, un tā mērķis ir izstrādāt rīkus, kas ļauj ātrāk atklāt un izstrādāt materiālus rūpnieciskiem lietojumiem.

Galvenais aspekts ir materiālu inženierijas uzlabošana, integrējot kvantu mehāniskos efektus, piemēram, superpozīcijas un sapīšanās, lai aprēķinātu mijiedarbību atomu sistēmās. Patērētāji un uzņēmumi var gūt labumu no šī pētījuma, jo var ievērojami samazināt jaunu materiālu izstrādes laiku. Nozīmīga loma ir arī inovatīviem algoritmiem, kas īpaši izstrādāti lietošanai trokšņainos vidēja mēroga kvantu (NISQ) datoros.

Sadarbība un publikācijas

Trīs DLR institūtu sadarbība nodrošina zināšanu apkopošanu metālu materiālu, šķidrumu molekulārās dinamikas un akumulatoru sistēmu kvantu mehānikas jomās. Jaunākie sasniegumi kvantu pētījumos ietver materiālu sistēmu identificēšanu ar potenciālām kvantu priekšrocībām un vienkāršu savienojumu kvalitātes kontroles simulāciju veikšanu. Šis pētījums ir īpaši svarīgs novatorisku uz otrreizēju pārstrādi balstītu sakausējumu izstrādei un iekšdedzes dzinēju lūžņu rūpnieciskai izmantošanai.

Šī intensīvā pētnieciskā darba rezultāti jau ir fiksēti dažādās publikācijās. Piemērs ir nesen publicētais darbs par optimizāciju bez gradienta variāciju kvantu īpašību risinātājos un fermionisko kvantu simulāciju stratēģijām.

Dziļāka izpratne par elektronisko mijiedarbību materiālos tiek panākta, analizējot modeļus, piemēram, Fermi-Hubbarda modeli. Trokšņainu kvantu datoru izmantošana ļauj simulēt sarežģītas kvantu sistēmas ātrāk nekā klasiskie datori. Mainīgo kvantu algoritmu (VQA) sasniegumi liecina, ka pētījumi par optimāla sākuma stāvokļa sagatavošanu ir ļoti svarīgi, lai veiksmīgi strādātu ar kvantu mehāniskajiem algoritmiem.

Kopumā var teikt, ka gan MaterialDigital iniciatīva, gan pētījumi QuantiCoM ir svarīgi soļi materiālu zinātnes digitalizācijā, kas varētu gūt ievērojamu labumu no jaunāko tehnoloģiju izmantošanas. Nepārtraukta sadarbība starp zinātniskajām institūcijām un rūpniecības partneriem būs ļoti svarīga šīs disciplīnas nākotnei un iespējai atraisīt jaunu potenciālu materiālu pētniecībā.