BASIQ – Batteriematerial-Simulation mit Quantencomputern

Projektlaufzeit: 1.11.2022 – 30.10.2026

AnwendungenMaterialwissenschaften

Hardwarespezifische Quantensimulation von Batteriematerialien

Wir simulieren Batteriematerialien auf atomistischer Ebene und Batteriezellen auf Kontinuumsebene mit den Quantencomputern der DLR QCI und passen die Quantensimulation an die spezifische Hardware an.

Unser Ziel ist die Entwicklung von Materialsimulationen für gatterbasierte Quantencomputer im Hinblick auf Batteriematerialien. Dabei werden wir feste kristalline Elektroden, zum Beispiel Mischoxide, flüssige Elektrolyte wie Wasser und Elektrodengrenzfläche wie Metalloberflächen simulieren. Auf diese Weise betrachten wir alle entscheidenden Materialkomponenten für die Simulation einer Batteriezelle. Gleichzeitig entwickeln wir Quantenalgorithmen für sehr unterschiedliche Materialklassen.

Motivation

Die Quantenmechanik der Atome und ihrer Elektronen beschreibt, was Materialien physikalisch-chemisch ausmacht. Die Lösung dieser quantenchemischen Modelle kann auf Quantencomputern deutlich genauer und schneller erfolgen. Auf diese Weise werden mithilfe der Quantensimulation von Materialien weitere Durchbrüche in der Materialforschung möglich.

Die Quantensimulation gilt – aufgrund ihrer, im Gegensatz zu anderen Anwendungen vergleichsweise moderaten Anforderungen an Größe und Präzision der Hardware – als eine der ersten Anwendungen mit möglichem Quantenvorteil. Mit BASIQ arbeiten wir an der quantenmechanischen Simulation von Materialien und chemischen Prozessen. Konkret geht es hierbei um die Quantensimulation von relevanten Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung und -wandlung. Gerade bei der Simulation von atomistischen Grenzflächenprozessen kann die quantenmechanische Simulation einen signifikanten Beitrag leisten.

Herausforderung

In BASIQ erproben und erweitern wir hybride quanten-klassische Algorithmen, die für heutige fehlerbehaftete Quantencomputer angepasst sind. So können kleine, komplex korrelierte Quantensysteme auf dem Quantencomputer und die große, wenig korrelierte Umgebung auf einem klassischen Computer gelöst werden. Mit so einer gekoppelten Simulation können wir mit der Verbesserung der Quantencomputer sukzessive auch die Simulationsgröße auf dem Quantencomputer und damit die Güte der Simulation verbessern. Aber schon zu Beginn der Entwicklung werden wir relevante Materialsysteme betrachtet können. Gleichzeitig ist es auch wichtig, einen Blick in die in Zukunft vorhandenen fehlerkorrigierten Quantencomputer zu werfen. Unser Ziel ist die dynamische Simulation vieler Moleküle an Elektrodengrenzflächen.