Materialvetenskapens framtid: kvantdatorer revolutionerar forskningen!

Materialvetenskapens framtid: kvantdatorer revolutionerar forskningen!

Materialvetenskap anses vara en nyckeldisciplin för viktiga framtida projekt som energiomställningen, 3D-utskrift och kvantberäkning. För att främja digitaliseringen inom detta område har ”MaterialDigital Platform” initierats sedan 2019, som i första hand koordineras av Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Huvudmålet med denna plattform är en systematisk och standardiserad hantering av materialdata för att avsevärt förbättra sättet att hantera den. Dessa ansträngningar får ett ytterligare uppsving genom stöd från det federala ministeriet för utbildning, forskning och teknik (BMFTR).

Den tredje finansieringsfasen av det gemensamma projektet inleds i oktober 2025, som kommer att finansieras med 3,1 miljoner euro under en period på tre år fram till september 2028. KIT kommer att ta på sig centrala uppgifter inom områdena IT-arkitektur och arbetsflöden och driva plattformens kontor. Anmärkningsvärt är också det internationella erkännandet av MaterialDigitals arbete, som uppmärksammas inte bara i Tyskland utan även i EU-kommissionen, som planerar att skapa en europeisk infrastruktur för digital materialvetenskap. FacktidningenAvancerat tekniskt materialhar även publicerat ett specialnummer om MaterialDigitals resultat och metoder.

Avancerar genom kvantberäkning

Parallellt med denna utveckling pågår ett intensivt arbete med användningen av kvantdatorer inom materialvetenskap. QuantiCoM-projektet, som genomförs av German Aerospace Center (DLR) i samarbete med flera partners, överbryggar gapet mellan teoretiska principer och praktiska tillämpningar. Projekttiden sträcker sig från november 2022 till oktober 2026, och målet är att utveckla verktyg som möjliggör snabbare upptäckt och utveckling av material för industriella applikationer.

En central aspekt är förbättringen av materialteknik genom att integrera kvantmekaniska effekter, såsom superposition och intrassling, för att beräkna interaktioner i atomsystem. Konsumenter och företag kan dra nytta av denna forskning eftersom utvecklingstider för nya material kan minska avsevärt. Innovativa algoritmer som är speciellt utvecklade för användning på Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-datorer spelar också en roll.

Samarbete och publikationer

Samarbetet mellan tre DLR-institut säkerställer att kunskap inom områdena metalliska material, vätskors molekylära dynamik och batterisystems kvantmekanik samlas. Nya framsteg inom kvantforskning inkluderar att identifiera materialsystem med potentiella kvantfördelar och utföra QC-simuleringar av enkla föreningar. Denna forskning är särskilt relevant för utvecklingen av innovativa återvinningsbaserade legeringar och industriell användning av skrot från förbränningsmotorer.

Resultaten av detta intensiva forskningsarbete har redan registrerats i olika publikationer. Ett exempel är det nyligen publicerade arbetet med gradientfri optimering i variationsmässiga kvantegenlösare och strategier för fermioniska kvantsimuleringar.

En djupare förståelse för elektronisk interaktion i material uppnås genom analys av modeller som Fermi-Hubbard-modellen. Användningen av bullriga kvantdatorer gör det möjligt att simulera komplexa kvantsystem snabbare än klassiska datorer. Framsteg inom Variational Quantum Algorithms (VQAs) visar att forskning för att förbereda ett optimalt initialtillstånd är avgörande för att framgångsrikt arbeta med kvantmekaniska algoritmer.

Sammantaget kan man säga att både MaterialDigital-initiativet och forskningen inom QuantiCoM representerar viktiga steg i digitaliseringen av materialvetenskap som skulle kunna dra stor nytta av användningen av den senaste tekniken. Fortsatt samarbete mellan vetenskapliga institutioner och industriella partners kommer att vara avgörande för framtiden för denna disciplin och möjligheten att frigöra ny potential inom materialforskning.