Quantencomputer eignen sich hervorragend zur Simulation von Atomen und Molekülen. Deshalb werden sie eine essenzielle Rolle bei der schnelleren Erforschung und Entwicklung neuer Materialien spielen. In unserem Materialforschungs-Projekt QuantiCoM untersuchen das DLR-Institut für Werkstoffforschung, das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und das DLR-Institut für Technische Thermodynamik deshalb, mit welchen fortschrittlichen Methoden Quantencomputer in Materialwissenschaften, Werkstofftechnik und Industrie eingesetzt werden können. In diesem Bereich Fachwissen und Know-how aufzubauen, wird uns ermöglichen, auch in Zukunft konkurrenzfähig und souverän neue Materialien mit drastisch reduzierten Entwicklungszeiten zu erforschen.
So können auf diese Weise zum Beispiel optimierte metallische Legierungen entwickelt werden, die für die Wasserstoff-Transformation unserer Infrastruktur benötigt werden. Quantensimulationen können außerdem die Suche nach Ersatzstoffe für schwer verfügbare Rohstoffe, Energie-optimierte Herstellungsverfahren und Recylcling im Sinne einer Kreislaufwirtschaft unterstützen. Und allgemein unterstützen wir mit Projekten wie QuantiCoM die Qualifizierung von Fachkräften und die Entwicklung zukunftsweisender Methoden und Technologien.
Jetzt haben wir die ersten beiden Industrieaufträge im Projekt QuantiCoM vergeben: In QuantiCoM H2Q wird das DLR-Forschungsteam zusammen mit unserem Auftragnehmer D-fine – ausgehend von existierenden Rechnungen für Eigenschaften von Wasser und Wasserstoff – zeigen, welche Anwendungsaspekte von der Berechnung auf Quanten-Hardware profitieren. Als Unterauftragnehmer sind außerdem der Quantencomputer-Hersteller Planqc und der Quantensimulations-Anbieter MQS an dem Projekt beteiligt. In umgekehrter Richtung wird unser zweiter Auftragnehmer ParityQC im Projekt Q2H dezidiert vorhandene Expertise aus dem Bereich Quantencomputing in Richtung Anwendung an den Beispielen Wasserstoff und Wasser weiterentwickeln. Beide Projekte H2Q und Q2H ergänzen sich gegenseitig und sind eng in die Arbeiten im Rahmen der DLR QCI eingebunden.
QuantiCoM H2Q: Algorithmen für die atomistische Simulation
Dieses Teilprojekt beinhaltet die Entwicklung von Algorithmen für atomistische Simulationen im Bereich Statik und Dynamik von Wasser und Wasserstoff ausgehend von klassischen Rechnungen mit dem Ziel der Optimierung auf Quantenhardware. Dazu wird unser Auftragnehmer D-fine anfangs Problemstellungen bei der Materialsimulation mit Wasser und Wasserstoff feststellen, um dann Quantenvorteile herauszuarbeiten. Von Interesse sind hierbei Berechnungen in zwei und drei Dimensionen (Bulk und Interface), sowie der Unterschied zwischen D2O und H2O für zukünftige Neutronenstreuexperimente.
QuantiCoM Q2H: Atomistische Simulation auf Quanten-Hardware
Dieses Teilprojekt zielt auf die Entwicklung von atomistischen Simulationen auf Basis von Quanten-Hardware. Dabei soll zunächst ausgehend von verfügbarer beziehungsweise absehbarer Hardware ein allgemeines Konzept entwickelt werden, mit welchen Ansätzen und Näherungsverfahren physikalisch sinnvolle Rechnungen am besten Quantenvorteile nutzen können. Als exemplarisches Projekt sollen Simulationen im Bereich Statik und Dynamik von Wasserstoff und Wasser durchgeführt werden. Dazu wird uns ParityQC als Auftragnehme lauffähige Quantencomputing-Algorithmen zur Nutzung von Quanten-Hardware für atomistische Simulationen liefern und das eingereichte Konzept an den Beispielen Wasserstoff und Wasser demonstrieren.
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