Prihodnost znanosti o materialih: kvantni računalniki revolucionirajo raziskave!

Prihodnost znanosti o materialih: kvantni računalniki revolucionirajo raziskave!

Znanost o materialih velja za ključno disciplino za ključne prihodnje projekte, kot so energetski prehod, 3D-tiskanje in kvantno računalništvo. Da bi pospešili digitalizacijo na tem področju, je od leta 2019 vzpostavljena »MaterialDigital Platform«, ki jo koordinira predvsem Tehnološki inštitut Karlsruhe (KIT). Glavni cilj te platforme je sistematično in standardizirano ravnanje z materialnimi podatki, da bi bistveno izboljšali način ravnanja z njimi. Ta prizadevanja so dodatno okrepljena s podporo Zveznega ministrstva za izobraževanje, raziskave in tehnologijo (BMFTR).

Oktobra 2025 se bo začela tretja faza financiranja skupnega projekta, ki bo financiran s 3,1 milijona evrov v obdobju treh let do septembra 2028. KIT bo prevzel osrednje naloge na področjih IT arhitekture in delovnih tokov ter upravljal pisarno platforme. Omembe vredno je tudi mednarodno priznanje dela MaterialDigital, ki je deležno pozornosti ne le v Nemčiji, ampak tudi v Evropski komisiji, ki namerava ustvariti evropsko infrastrukturo za digitalno znanost o materialih. Strokovna revijaNapredni inženirski materialije objavil tudi posebno izdajo o rezultatih in metodah MaterialDigital.

Napredek s kvantnim računalništvom

Vzporedno s tem razvojem poteka intenzivno delo na področju uporabe kvantnih računalnikov v znanosti o materialih. Projekt QuantiCoM, ki ga izvaja nemški vesoljski center (DLR) v sodelovanju z več partnerji, premosti vrzel med teoretičnimi načeli in praktičnimi aplikacijami. Projekt traja od novembra 2022 do oktobra 2026, cilj pa je razviti orodja, ki omogočajo hitrejše odkrivanje in razvoj materialov za industrijsko uporabo.

Osrednji vidik je izboljšanje inženiringa materialov z integracijo kvantno mehanskih učinkov, kot sta superpozicija in prepletanje, za izračun interakcij v atomskih sistemih. Potrošniki in podjetja imajo lahko koristi od te raziskave, saj se lahko razvojni časi za nove materiale znatno skrajšajo. Inovativni algoritmi, ki so posebej razviti za uporabo na hrupnih računalnikih Intermediate-Scale Quantum (NISQ), prav tako igrajo vlogo.

Sodelovanje in objave

Sodelovanje med tremi inštituti DLR zagotavlja združevanje znanja na področjih kovinskih materialov, molekularne dinamike tekočin in kvantne mehanike baterijskih sistemov. Nedavni napredek v kvantnih raziskavah vključuje prepoznavanje materialnih sistemov s potencialnimi kvantnimi prednostmi in izvajanje simulacij QC enostavnih spojin. Ta raziskava je še posebej pomembna za razvoj inovativnih zlitin na osnovi recikliranja in industrijsko uporabo odpadkov iz motorjev z notranjim zgorevanjem.

Rezultati tega intenzivnega raziskovalnega dela so že zapisani v različnih publikacijah. Primer je nedavno objavljeno delo o optimizaciji brez gradientov v variacijskih kvantnih lastnih reševalcih in strategijah za fermionske kvantne simulacije.

Globlje razumevanje elektronskih interakcij v materialih je doseženo z analizo modelov, kot je Fermi-Hubbardov model. Uporaba hrupnih kvantnih računalnikov omogoča simulacijo kompleksnih kvantnih sistemov hitreje kot klasični računalniki. Napredek v variacijskih kvantnih algoritmih (VQA) kaže, da so raziskave priprave optimalnega začetnega stanja ključnega pomena za uspešno delo s kvantnomehanskimi algoritmi.

Na splošno lahko rečemo, da tako pobuda MaterialDigital kot raziskave v QuantiCoM predstavljajo pomembne korake v digitalizaciji znanosti o materialih, ki bi lahko znatno pridobili z uporabo najsodobnejših tehnologij. Nadaljevanje sodelovanja med znanstvenimi institucijami in industrijskimi partnerji bo ključnega pomena za prihodnost te discipline in možnost sprostitve novega potenciala pri raziskavah materialov.