Przyszłość inżynierii materiałowej: komputery kwantowe rewolucjonizują badania!

Przyszłość inżynierii materiałowej: komputery kwantowe rewolucjonizują badania!

Inżynieria materiałowa jest uważana za kluczową dyscyplinę dla kluczowych przyszłych projektów, takich jak transformacja energetyki, druk 3D i obliczenia kwantowe. Aby przyspieszyć cyfryzację w tym obszarze, od 2019 roku inicjowana jest „Platforma MaterialDigital”, której koordynacją zajmuje się przede wszystkim Instytut Technologii w Karlsruhe (KIT). Głównym celem tej platformy jest systematyczne i ujednolicone przetwarzanie danych materiałowych, w celu znacznego usprawnienia sposobu ich obsługi. Wysiłki te otrzymają dodatkowy impuls dzięki wsparciu Federalnego Ministerstwa Edukacji, Badań i Technologii (BMFTR).

Trzecia faza finansowania wspólnego projektu rozpocznie się w październiku 2025 r. i będzie finansowana kwotą 3,1 mln euro w ciągu trzech lat do września 2028 r. KIT przejmie centralne zadania w obszarach architektury IT i przepływów pracy oraz będzie obsługiwał biuro platformy. Na uwagę zasługuje także międzynarodowe uznanie prac MaterialDigital, które cieszy się zainteresowaniem nie tylko w Niemczech, ale także w Komisji Europejskiej, która planuje stworzyć europejską infrastrukturę dla cyfrowej nauki o materiałach. Magazyn branżowyZaawansowane materiały inżynieryjneopublikował także wydanie specjalne poświęcone wynikom i metodom MaterialDigital.

Postęp dzięki informatyce kwantowej

Równolegle prowadzone są intensywne prace nad wykorzystaniem komputerów kwantowych w materiałoznawstwie. Projekt QuantiCoM, realizowany przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) we współpracy z kilkoma partnerami, wypełnia lukę między zasadami teoretycznymi a zastosowaniami praktycznymi. Czas trwania projektu trwa od listopada 2022 r. do października 2026 r., a jego celem jest opracowanie narzędzi umożliwiających szybsze odkrywanie i rozwój materiałów do zastosowań przemysłowych.

Głównym aspektem jest udoskonalenie inżynierii materiałowej poprzez integrację efektów mechaniki kwantowej, takich jak superpozycja i splątanie, w celu obliczenia interakcji w układach atomowych. Konsumenci i firmy mogą odnieść korzyści z tych badań, ponieważ czas opracowywania nowych materiałów może zostać znacznie skrócony. Ważną rolę odgrywają także innowacyjne algorytmy opracowane specjalnie do użytku w komputerach Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ).

Współpraca i publikacje

Współpraca trzech instytutów DLR zapewnia połączenie wiedzy w obszarach materiałów metalicznych, dynamiki molekularnej cieczy i mechaniki kwantowej systemów akumulatorów. Najnowsze postępy w badaniach kwantowych obejmują identyfikację systemów materiałowych o potencjalnych zaletach kwantowych i przeprowadzanie symulacji kontroli jakości prostych związków. Badania te są szczególnie istotne dla rozwoju innowacyjnych stopów pochodzących z recyklingu i przemysłowego wykorzystania złomu z silników spalinowych.

Wyniki tej intensywnej pracy badawczej zostały już odnotowane w różnych publikacjach. Przykładem jest niedawno opublikowana praca dotycząca optymalizacji bezgradientowej w wariacyjnych kwantowych solwerach własnych i strategiach fermionowych symulacji kwantowych.

Głębsze zrozumienie oddziaływań elektronowych w materiałach można osiągnąć poprzez analizę modeli takich jak model Fermiego-Hubbarda. Zastosowanie hałaśliwych komputerów kwantowych umożliwia symulowanie złożonych układów kwantowych szybciej niż klasyczne komputery. Postępy w wariacyjnych algorytmach kwantowych (VQA) pokazują, że badania nad przygotowaniem optymalnego stanu początkowego mają kluczowe znaczenie dla pomyślnej pracy z algorytmami mechaniki kwantowej.

Ogólnie można stwierdzić, że zarówno inicjatywa MaterialDigital, jak i badania w QuantiCoM stanowią ważne kroki w cyfryzacji inżynierii materiałowej, które mogłyby znacząco zyskać na zastosowaniu najnowocześniejszych technologii. Kontynuacja współpracy instytucji naukowych z partnerami przemysłowymi będzie kluczowa dla przyszłości tej dyscypliny i możliwości uwolnienia nowego potencjału w badaniach materiałowych.