Budúcnosť materiálovej vedy: kvantové počítače prinášajú revolúciu vo výskume!

Budúcnosť materiálovej vedy: kvantové počítače prinášajú revolúciu vo výskume!

Veda o materiáloch sa považuje za kľúčovú disciplínu pre kľúčové budúce projekty, ako je energetická transformácia, 3D tlač a kvantové výpočty. S cieľom pokročiť v digitalizácii v tejto oblasti bola od roku 2019 iniciovaná „MaterialDigital Platform“, ktorú koordinuje predovšetkým Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Hlavným cieľom tejto platformy je systematické a štandardizované nakladanie s materiálovými dátami s cieľom výrazne zlepšiť spôsob nakladania s nimi. Toto úsilie získava dodatočný impulz vďaka podpore Spolkového ministerstva školstva, výskumu a techniky (BMFTR).

Tretia fáza financovania spoločného projektu sa začne v októbri 2025, ktorá bude financovaná sumou 3,1 milióna eur počas troch rokov do septembra 2028. KIT prevezme ústredné úlohy v oblastiach IT architektúry a pracovných postupov a bude prevádzkovať kanceláriu platformy. Pozoruhodné je aj medzinárodné uznanie práce MaterialDigital, ktorému sa venuje pozornosť nielen v Nemecku, ale aj v Európskej komisii, ktorá plánuje vytvoriť európsku infraštruktúru pre vedu o digitálnych materiáloch. Obchodný časopisPokročilé inžinierske materiályvydala aj špeciálne číslo o výsledkoch a metódach MaterialDigital.

Pokroky prostredníctvom kvantových výpočtov

Súbežne s týmto vývojom sa intenzívne pracuje na využití kvantových počítačov v materiálovej vede. Projekt QuantiCoM, ktorý realizuje German Aerospace Center (DLR) v spolupráci s niekoľkými partnermi, premosťuje priepasť medzi teoretickými princípmi a praktickými aplikáciami. Trvanie projektu trvá od novembra 2022 do októbra 2026 a cieľom je vyvinúť nástroje, ktoré umožnia rýchlejšie objavovanie a vývoj materiálov pre priemyselné aplikácie.

Ústredným aspektom je zlepšenie materiálového inžinierstva integráciou kvantových mechanických efektov, ako je superpozícia a zapletenie, na výpočet interakcií v atómových systémoch. Spotrebitelia a spoločnosti môžu mať z tohto výskumu úžitok, pretože časy vývoja nových materiálov sa môžu výrazne skrátiť. Svoju úlohu zohrávajú aj inovatívne algoritmy, ktoré sú špeciálne vyvinuté na použitie na počítačoch s hlučným intermediate-Scale Quantum (NISQ).

Spolupráca a publikácie

Spolupráca medzi tromi inštitútmi DLR zaisťuje spojenie poznatkov v oblasti kovových materiálov, molekulárnej dynamiky kvapalín a kvantovej mechaniky batériových systémov. Nedávne pokroky v kvantovom výskume zahŕňajú identifikáciu materiálových systémov s potenciálnymi kvantovými výhodami a vykonávanie QC simulácií jednoduchých zlúčenín. Tento výskum je obzvlášť dôležitý pre vývoj inovatívnych zliatin na báze recyklácie a priemyselné využitie šrotu zo spaľovacích motorov.

Výsledky tejto intenzívnej výskumnej práce už boli zaznamenané v rôznych publikáciách. Príkladom je nedávno publikovaná práca o optimalizácii bez gradientov vo variačných kvantových vlastných riešeniach a stratégiách pre fermionické kvantové simulácie.

Hlbšie pochopenie elektronických interakcií v materiáloch sa dosahuje prostredníctvom analýzy modelov, ako je Fermi-Hubbardov model. Použitie hlučných kvantových počítačov umožňuje simulovať zložité kvantové systémy rýchlejšie ako klasické počítače. Pokroky vo variačných kvantových algoritmoch (VQA) ukazujú, že výskum prípravy optimálneho počiatočného stavu je rozhodujúci pre úspešnú prácu s kvantovo mechanickými algoritmami.

Celkovo možno povedať, že tak iniciatíva MaterialDigital, ako aj výskum v QuaantiCoM predstavujú dôležité kroky v digitalizácii materiálovej vedy, ktoré by mohli výrazne profitovať z využívania najmodernejších technológií. Pokračujúca spolupráca medzi vedeckými inštitúciami a priemyselnými partnermi bude kľúčová pre budúcnosť tejto disciplíny a možnosť uvoľnenia nového potenciálu v materiálovom výskume.