Toekomst van materiaalkunde: kwantumcomputers zorgen voor een revolutie in onderzoek!

Toekomst van materiaalkunde: kwantumcomputers zorgen voor een revolutie in onderzoek!

Materiaalkunde wordt beschouwd als een sleuteldiscipline voor belangrijke toekomstige projecten zoals de energietransitie, 3D-printen en quantum computing. Om de digitalisering op dit gebied te bevorderen, is sinds 2019 het “MaterialDigital Platform” opgericht, dat voornamelijk wordt gecoördineerd door het Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Het hoofddoel van dit platform is de systematische en gestandaardiseerde verwerking van materiaalgegevens om de manier waarop hiermee wordt omgegaan aanzienlijk te verbeteren. Deze inspanningen krijgen een extra impuls dankzij de steun van het Federale Ministerie van Onderwijs, Onderzoek en Technologie (BMFTR).

In oktober 2025 start de derde financieringsfase van het gezamenlijke project, dat wordt gefinancierd met 3,1 miljoen euro over een periode van drie jaar tot september 2028. Het KIT zal centrale taken op het gebied van IT-architectuur en workflows op zich nemen en het kantoor van het platform exploiteren. Ook opmerkelijk is de internationale erkenning van het werk van MaterialDigital, dat niet alleen in Duitsland aandacht krijgt, maar ook bij de Europese Commissie, die van plan is een Europese infrastructuur voor digitale materiaalkunde te creëren. Het vakbladGeavanceerde technische materialenheeft ook een speciaal nummer gepubliceerd over de resultaten en methoden van MaterialDigital.

Vooruitgang door kwantumcomputers

Parallel aan deze ontwikkelingen wordt er intensief gewerkt aan het gebruik van kwantumcomputers in de materiaalkunde. Het QuantiCoM-project, dat wordt uitgevoerd door het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) in samenwerking met verschillende partners, overbrugt de kloof tussen theoretische principes en praktische toepassingen. De projectduur loopt van november 2022 tot oktober 2026 en het doel is om tools te ontwikkelen die een snellere ontdekking en ontwikkeling van materialen voor industriële toepassingen mogelijk maken.

Een centraal aspect is de verbetering van materiaalkunde door kwantummechanische effecten, zoals superpositie en verstrengeling, te integreren om interacties in atomaire systemen te berekenen. Consumenten en bedrijven kunnen profiteren van dit onderzoek, omdat de ontwikkelingstijden voor nieuwe materialen aanzienlijk kunnen worden verkort. Ook innovatieve algoritmen die specifiek zijn ontwikkeld voor gebruik op Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers spelen een rol.

Samenwerking en publicaties

De samenwerking tussen drie DLR-instituten zorgt ervoor dat kennis op het gebied van metallische materialen, moleculaire dynamica van vloeistoffen en kwantummechanica van batterijsystemen wordt gebundeld. Recente ontwikkelingen in het kwantumonderzoek omvatten het identificeren van materiaalsystemen met potentiële kwantumvoordelen en het uitvoeren van QC-simulaties van eenvoudige verbindingen. Dit onderzoek is met name relevant voor de ontwikkeling van innovatieve legeringen op recyclingbasis en het industriële gebruik van schroot van verbrandingsmotoren.

De resultaten van dit intensieve onderzoekswerk zijn al vastgelegd in verschillende publicaties. Een voorbeeld is het onlangs gepubliceerde werk over gradiëntvrije optimalisatie in variatie-kwantum-eigensolvers en strategieën voor fermionische kwantumsimulaties.

Een dieper begrip van elektronische interacties in materialen wordt bereikt door de analyse van modellen zoals het Fermi-Hubbard-model. Het gebruik van luidruchtige kwantumcomputers maakt het mogelijk om complexe kwantumsystemen sneller te simuleren dan klassieke computers. Vooruitgang in Variationele Kwantumalgoritmen (VQA's) laat zien dat onderzoek naar het voorbereiden van een optimale begintoestand cruciaal is om succesvol met kwantummechanische algoritmen te kunnen werken.

Over het geheel genomen kan worden gezegd dat zowel het MaterialDigital-initiatief als het onderzoek in QuantiCoM belangrijke stappen vertegenwoordigen in de digitalisering van de materiaalkunde, die aanzienlijk zouden kunnen profiteren van het gebruik van de modernste technologieën. Voortdurende samenwerking tussen wetenschappelijke instellingen en industriële partners zal cruciaal zijn voor de toekomst van deze discipline en de mogelijkheid om nieuw potentieel in materiaalonderzoek te ontsluiten.