Futuro da ciência dos materiais: os computadores quânticos estão revolucionando a pesquisa!

Futuro da ciência dos materiais: os computadores quânticos estão revolucionando a pesquisa!

A ciência dos materiais é considerada uma disciplina fundamental para projetos futuros importantes, como a transição energética, a impressão 3D e a computação quântica. Para avançar na digitalização nesta área, foi iniciada desde 2019 a “Plataforma MaterialDigital”, que é coordenada principalmente pelo Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT). O principal objetivo desta plataforma é o tratamento sistemático e padronizado dos dados dos materiais, a fim de melhorar significativamente a forma como são tratados. Estes esforços recebem um impulso adicional através do apoio do Ministério Federal da Educação, Investigação e Tecnologia (BMFTR).

A terceira fase de financiamento do projeto conjunto terá início em outubro de 2025, que será financiado com 3,1 milhões de euros durante um período de três anos até setembro de 2028. O KIT assumirá tarefas centrais nas áreas de arquitetura e fluxos de trabalho de TI e operará o escritório da plataforma. Destaca-se também o reconhecimento internacional do trabalho da MaterialDigital, que está a receber atenção não só na Alemanha, mas também na Comissão Europeia, que planeia criar uma infraestrutura europeia para a ciência digital dos materiais. A revista comercialMateriais de Engenharia Avançadatambém publicou uma edição especial sobre os resultados e métodos da MaterialDigital.

Avanços através da computação quântica

Paralelamente a estes desenvolvimentos, está a ser realizado um trabalho intensivo sobre a utilização de computadores quânticos na ciência dos materiais. O projeto QuantiCoM, realizado pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em colaboração com vários parceiros, preenche a lacuna entre os princípios teóricos e as aplicações práticas. A duração do projeto vai de novembro de 2022 a outubro de 2026, e o objetivo é desenvolver ferramentas que possibilitem a descoberta e o desenvolvimento mais rápido de materiais para aplicações industriais.

Um aspecto central é o aprimoramento da engenharia de materiais através da integração de efeitos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento, para calcular interações em sistemas atômicos. Os consumidores e as empresas podem beneficiar desta investigação, uma vez que os tempos de desenvolvimento de novos materiais podem ser significativamente reduzidos. Algoritmos inovadores desenvolvidos especificamente para uso em computadores Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) também desempenham um papel.

Colaboração e publicações

A colaboração entre três institutos DLR garante a agregação de conhecimentos nas áreas de materiais metálicos, dinâmica molecular de líquidos e mecânica quântica de sistemas de baterias. Avanços recentes na pesquisa quântica incluem a identificação de sistemas de materiais com potenciais vantagens quânticas e a realização de simulações de controle de qualidade de compostos simples. Esta investigação é particularmente relevante para o desenvolvimento de ligas inovadoras baseadas na reciclagem e para a utilização industrial de sucata de motores de combustão interna.

Os resultados deste intenso trabalho de investigação já foram registados em diversas publicações. Um exemplo é o trabalho recentemente publicado sobre otimização livre de gradiente em autosolucionadores quânticos variacionais e estratégias para simulações quânticas fermiônicas.

Uma compreensão mais profunda das interações eletrônicas em materiais é alcançada através da análise de modelos como o modelo Fermi-Hubbard. O uso de computadores quânticos ruidosos torna possível simular sistemas quânticos complexos mais rapidamente do que os computadores clássicos. Avanços em algoritmos quânticos variacionais (VQAs) mostram que a pesquisa na preparação de um estado inicial ideal é crucial para trabalhar com sucesso com algoritmos de mecânica quântica.

No geral, pode-se dizer que tanto a iniciativa MaterialDigital como a investigação na QuantiCoM representam passos importantes na digitalização da ciência dos materiais que poderiam beneficiar significativamente da utilização de tecnologias de ponta. A colaboração contínua entre instituições científicas e parceiros industriais será crucial para o futuro desta disciplina e para a possibilidade de desbloquear novo potencial na investigação de materiais.