Fremtiden for materialvitenskap: kvantedatamaskiner revolusjonerer forskning!

Fremtiden for materialvitenskap: kvantedatamaskiner revolusjonerer forskning!

Materialvitenskap regnes som en nøkkeldisiplin for viktige fremtidige prosjekter som energiomstilling, 3D-printing og kvantedatabehandling. For å fremme digitaliseringen på dette området har «MaterialDigital Platform» blitt startet siden 2019, som primært koordineres av Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Hovedmålet med denne plattformen er systematisk og standardisert håndtering av materialdata for å betydelig forbedre måten de håndteres på. Denne innsatsen får et ekstra løft gjennom støtte fra det føderale departementet for utdanning, forskning og teknologi (BMFTR).

Tredje finansieringsfase av fellesprosjektet starter i oktober 2025, som vil bli finansiert med 3,1 millioner euro over en periode på tre år frem til september 2028. KIT skal påta seg sentrale oppgaver innen områdene IT-arkitektur og arbeidsflyt og drifte plattformens kontor. Bemerkelsesverdig er også den internasjonale anerkjennelsen av MaterialDigitals arbeid, som får oppmerksomhet ikke bare i Tyskland, men også i EU-kommisjonen, som planlegger å skape en europeisk infrastruktur for digital materialvitenskap. FagbladetAvanserte tekniske materialerhar også publisert et spesialnummer om MaterialDigital sine resultater og metoder.

Fremskritt gjennom kvanteberegning

Parallelt med denne utviklingen jobbes det intensivt med bruk av kvantedatamaskiner innen materialvitenskap. QuantiCoM-prosjektet, som gjennomføres av German Aerospace Center (DLR) i samarbeid med flere partnere, bygger bro mellom teoretiske prinsipper og praktiske anvendelser. Prosjektets varighet strekker seg fra november 2022 til oktober 2026, og målet er å utvikle verktøy som muliggjør raskere oppdagelse og utvikling av materialer for industrielle applikasjoner.

Et sentralt aspekt er forbedring av materialteknikk ved å integrere kvantemekaniske effekter, som superposisjon og sammenfiltring, for å beregne interaksjoner i atomsystemer. Forbrukere og bedrifter kan dra nytte av denne forskningen ettersom utviklingstidene for nye materialer kan reduseres betydelig. Innovative algoritmer som er spesielt utviklet for bruk på Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) datamaskiner spiller også en rolle.

Samarbeid og publikasjoner

Samarbeidet mellom tre DLR-institutter sikrer at kunnskap innen områdene metalliske materialer, molekylær dynamikk i væsker og kvantemekanikk i batterisystemer samles. Nyere fremskritt innen kvanteforskning inkluderer å identifisere materialsystemer med potensielle kvantefordeler og utføre QC-simuleringer av enkle forbindelser. Denne forskningen er spesielt relevant for utvikling av innovative resirkuleringsbaserte legeringer og industriell bruk av skrap fra forbrenningsmotorer.

Resultatene av dette intensive forskningsarbeidet er allerede registrert i ulike publikasjoner. Et eksempel er det nylig publiserte arbeidet med gradientfri optimalisering i variasjonelle kvanteegenløsere og strategier for fermioniske kvantesimuleringer.

En dypere forståelse av elektroniske interaksjoner i materialer oppnås gjennom analyse av modeller som Fermi-Hubbard-modellen. Bruken av støyende kvantedatamaskiner gjør det mulig å simulere komplekse kvantesystemer raskere enn klassiske datamaskiner. Fremskritt i Variational Quantum Algorithms (VQAs) viser at forskning på å forberede en optimal starttilstand er avgjørende for å lykkes med å jobbe med kvantemekaniske algoritmer.

Samlet sett kan det sies at både MaterialDigital-initiativet og forskningen i QuantiCoM representerer viktige skritt i digitaliseringen av materialvitenskap som kan dra betydelig nytte av bruken av toppmoderne teknologier. Fortsatt samarbeid mellom vitenskapelige institusjoner og industrielle partnere vil være avgjørende for fremtiden til denne disiplinen og muligheten for å frigjøre nytt potensial innen materialforskning.