Viitorul științei materialelor: calculatoarele cuantice revoluționează cercetarea!

Viitorul științei materialelor: calculatoarele cuantice revoluționează cercetarea!

Știința materialelor este considerată o disciplină cheie pentru proiecte cheie viitoare, cum ar fi tranziția energetică, imprimarea 3D și calculul cuantic. Pentru a avansa digitalizarea în acest domeniu, din 2019 a fost inițiată „Platforma MaterialDigital”, care este coordonată în primul rând de Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT). Scopul principal al acestei platforme este manipularea sistematică și standardizată a datelor materiale pentru a îmbunătăți semnificativ modul în care acestea sunt manipulate. Aceste eforturi primesc un impuls suplimentar prin sprijinul Ministerului Federal al Educației, Cercetării și Tehnologiei (BMFTR).

A treia etapă de finanțare a proiectului comun va începe în octombrie 2025, care va fi finanțată cu 3,1 milioane de euro pe o perioadă de trei ani până în septembrie 2028. KIT va prelua sarcini centrale în domeniile arhitecturii IT și fluxurilor de lucru și va opera biroul platformei. De remarcată este și recunoașterea internațională a activității MaterialDigital, care primește atenție nu numai în Germania, ci și în Comisia Europeană, care intenționează să creeze o infrastructură europeană pentru știința materialelor digitale. Revista de comertMateriale avansate de ingineriea publicat, de asemenea, un număr special despre rezultatele și metodele MaterialDigital.

Progrese prin calculul cuantic

În paralel cu aceste evoluții, se lucrează intens cu privire la utilizarea computerelor cuantice în știința materialelor. Proiectul QuantiCoM, care este realizat de Centrul Aerospațial German (DLR) în colaborare cu mai mulți parteneri, face o punte între principiile teoretice și aplicațiile practice. Durata proiectului se extinde din noiembrie 2022 până în octombrie 2026, iar scopul este de a dezvolta instrumente care să permită descoperirea și dezvoltarea mai rapidă a materialelor pentru aplicații industriale.

Un aspect central este îmbunătățirea ingineriei materialelor prin integrarea efectelor mecanice cuantice, cum ar fi suprapunerea și încurcarea, pentru a calcula interacțiunile în sistemele atomice. Consumatorii și companiile pot beneficia de această cercetare, deoarece timpii de dezvoltare pentru materiale noi pot fi reduse semnificativ. Algoritmii inovatori care sunt special dezvoltați pentru utilizarea pe computerele cuantice cu scară intermediară zgomotoasă (NISQ) joacă, de asemenea, un rol.

Colaborare și publicații

Colaborarea dintre trei institute DLR asigură punerea în comun a cunoștințelor în domeniile materialelor metalice, dinamicii moleculare a lichidelor și mecanica cuantică a sistemelor de baterii. Progresele recente în cercetarea cuantică includ identificarea sistemelor materiale cu potențiale avantaje cuantice și efectuarea de simulări QC ale compușilor simpli. Această cercetare este deosebit de relevantă pentru dezvoltarea aliajelor inovatoare pe bază de reciclare și utilizarea industrială a deșeurilor de la motoarele cu ardere internă.

Rezultatele acestei lucrări intense de cercetare au fost deja înregistrate în diverse publicații. Un exemplu este lucrarea recent publicată privind optimizarea fără gradient în soluții proprii cuantice variaționale și strategii pentru simulări cuantice fermionice.

O înțelegere mai profundă a interacțiunilor electronice din materiale se realizează prin analiza unor modele precum modelul Fermi-Hubbard. Utilizarea calculatoarelor cuantice zgomotoase face posibilă simularea sistemelor cuantice complexe mai rapid decât calculatoarele clasice. Progresele în algoritmii cuantici variaționali (VQA) arată că cercetarea în pregătirea unei stări inițiale optime este crucială pentru a lucra cu succes cu algoritmi mecanici cuantici.

În general, se poate spune că atât inițiativa MaterialDigital, cât și cercetarea în QuantiCoM reprezintă pași importanți în digitalizarea științei materialelor care ar putea beneficia semnificativ de utilizarea tehnologiilor de ultimă generație. Colaborarea continuă între instituțiile științifice și partenerii industriali va fi crucială pentru viitorul acestei discipline și posibilitatea de a debloca un nou potențial în cercetarea materialelor.