- Im Rahmen des QuantiCoM-Projekts beauftragt die DLR Quantencomputing-Initiative d-fine und planqc – mit ExoMatter als Unterauftragnehmer und Airbus in beratender Funktion.
- Quantensimulationen haben das Potenzial, Entwicklungszeiten zu verkürzen und Materialeigenschaften präziser vorherzusagen.
- Optimierung von Leichtbaulegierungen und Wasserstoffspeicherung für Flugzeugtreibstoffe sowie Korrosionsschutz in der Luft- und Raumfahrt.
Die Unternehmensberatung d-fine und der Quantencomputer-Hersteller planqc wurden von der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) damit beauftragt, die Entwicklung neuer Materialien voranzutreiben. Im Rahmen des DLR QCI-Projekts QuantiCoM setzen sie auf die Stärken von Quantencomputern, um Simulationen hochkomplexer Materialien zu verbessern. Dadurch sollen industrierelevante Lösungen gefunden werden.
Die Entwicklung neuer Materialien ist ein entscheidender Faktor für Innovationen in Industrie und Wissenschaft. Doch herkömmliche Methoden zur Simulation hochkomplexer Materialeigenschaften stoßen zunehmend an ihre Grenzen. Hier setzt das DLR QCI-Projekt QuantiCoM unter der Leitung des DLR-Instituts für Werkstoff-Forschung und des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum an. Es nutzt Quantencomputer, um Entwicklungszeiten drastisch zu reduzieren und so die Identifikation neuer Materialien zu beschleunigen. Von den neuen Methoden sollen Materialwissenschaft, Werkstofftechnik und Industrien, wie die Luft- und Raumfahrt oder die Automobilindustrie, profitieren.
In den Ausschreibungen für QuantiCoM | QALPHAD und QuantiCoM | AMQS suchte die DLR QCI nach Auftragnehmern, um die Weiterentwicklung der Quantencomputer-gestützten Materialsimulation zu unterstützen. Den Zuschlag erhielten nun in beiden Fällen d-fine und planqc mit ihren hervorragenden Konzepten. Zur Umsetzung der Projekte sicherten sich diese die zusätzliche Expertise des Simulationsspezialisten ExoMatter und die fachliche Beratung durch Europas führenden Luft- und Raumfahrtkonzern Airbus.
Gemeinsam wird nun an praxistauglichen Lösungen für industrielle Anwendungen gearbeitet, darunter die Entwicklung von leichteren Materialien für die Luft- und Raumfahrt, um Treibstoffverbrauch zu reduzieren, aber auch von besonders widerstandsfähigen Materialien, die die Langlebigkeit von Flugzeugbauteilen erhöhen.
„Die Nutzung von Quantencomputern im Projekt QuantiCoM bietet uns die einzigartige Gelegenheit, komplexe Materialsimulationen durchzuführen, die nicht nur die Wissenschaft weiterbringen, sondern auch echte, praxisnahe Lösungen für die Industrie bieten“, sagt Dr. Sabine Matysik, Expertin für Quantum Computing und Modellierung bei d-fine.
„Ob für Energiespeicher, Luft- und Raumfahrt oder Hochleistungswerkstoffe: Die beschleunigte Entwicklung neuer Materialien mithilfe von Quantencomputern wird eine Vielzahl von Innovationen auslösen, die zu Nachhaltigkeit und Wachstum beitragen“, sagt Dr. Alexander Glätzle, CEO und Co-Founder von planqc. „Wir freuen uns sehr, die DLR Quantencomputing-Initiative zusammen mit starken Partnern beim Projekt QuantiCoM unterstützen zu können.“
„Es ist uns sehr wichtig, die Materialforschung zu beschleunigen und Ressourcen einzusparen. Daher freuen wir uns sehr, mit unserer leistungsfähigen digitalen Plattform und unseren Materialdaten zur Weiterentwicklung von Materialsimulationen beizutragen“, sagt Dr. Josua Vieten, CEO und Co-Founder von ExoMatter.
QuantiCoM | QALPHAD: Materialeigenschaften präzise vorhersagen
Im Rahmen von QuantiCoM | QALPHAD wird erforscht, wie sich Materialeigenschaften durch Quantensimulationen präziser vorhersagen lassen. Ein konkreter industrierelevanter Anwendungsfall dafür ist die Optimierung von Leichtbaulegierungen für Strukturbauteile. In der Luft- und Raumfahrt ist das Gewicht der Bauteile von entscheidender Bedeutung. Leichtbaulegierungen, die hohe Festigkeit bei geringem Gewicht bieten, spielen eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung des Treibstoffverbrauchs. Die Verbesserung solcher Materialen ist deshalb von großer Bedeutung für die Zukunft der Luftfahrtindustrie.
Für QuantiCoM | QALPHAD wollen die Projektbeteiligten einen Quantencomputer-gestützten Ansatz entwickeln, der auf der bewährten CALPHAD-Methode (Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry) basiert. CALPHAD wird in der Materialwissenschaft eingesetzt, um die thermodynamischen Eigenschaften und das Phasenverhalten von Materialsystemen aus mehreren Komponenten vorherzusagen.
Bei stark korrelierten Materialien – also solchen, bei denen Elektronen stark miteinander interagieren – stößt die klassische Berechnung der Eingabedaten für die CALPHAD-Methode jedoch an ihre Grenzen. Hier kommen Quantencomputer ins Spiel: Sie haben im Prinzip einen exponentiellen Vorteil bei der Simulation solch stark korrelierter Materialen im Vergleich zu klassischen Methoden.
Zwar sind verfügbare Quantencomputer noch nicht leistungsfähig genug, um realistische Materialien vollständig zu simulieren. Doch die Projektbeteiligten setzen auf sogenannte Quantum-Embedding-Methoden, um die Stärken von Quantencomputern gezielt nutzen zu können. Dabei wird das zu simulierende Materialsystem in zwei Bereiche unterteilt: In aktiven Bereichen (active spaces) befinden sich die stark korrelierten Elektronen, deren Verhalten auf einem Quantencomputer berechnet wird, der hier sein volles Potenzial entfalten kann. Der Rest des Systems, also die Umgebung, wird weiterhin mit klassischen Computern mit ausreichender Genauigkeit berechnet.
QuantiCoM | AMQS – Wechselwirkungen von Wasser und Wasserstoff mit Metallen
Im Rahmen von QuantiCoM | AMQS wird untersucht, wie Quantencomputer die Wechselwirkung von Wasser und Wasserstoff mit metallischen Oberflächen besser simulieren können, um ein besseres Verständnis hierfür aufzubauen und zur Entwicklung neuer metallischer Materialien beizutragen. Zwei zentrale Anwendungen stehen dabei im Fokus: die Verbesserung der Wasserstoffspeicherung für neue Flugzeugantriebskonzepte sowie der Korrosionsschutz für Luft- und Raumfahrtbauteile.
Wasser dient als vielseitiges Lösungsmittel, kann aber die Haltbarkeit von Materialien beeinträchtigen. Wasserstoff ist ein zentraler Energieträger und wird in vielen chemischen Prozessen eingesetzt, kann jedoch Materialien durch Wasserstoffversprödung schwächen. Das Projekt will herausfinden, wie Schutzbeschichtungen oder Oberflächenmodifikationen die Beständigkeit von Bauteilen verbessern können, die in der Luft- und Raumfahrt extremen Umwelteinflüssen und chemischen Prozessen standhalten müssen.
Um die Eigenschaften von Metallen und die Interaktion von kleinen Molekülen an und in ihrer Oberfläche zu simulieren, müssen periodische Systeme untersucht werden. Diese können unterschiedlich groß und rechnerisch anspruchsvoll sein. Auch hier stößt die klassische Simulation von stark korrelierten Systemen an Grenzen, die mithilfe von Quantencomputern überwunden werden können.
In der Luftfahrt sind Materialien, die extremen Umwelteinflüssen und chemischen Prozessen standhalten, essenziell. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, widerstandsfähigere Materialien zu entwickeln und die Langlebigkeit von Flugzeugbauteilen entscheidend zu erhöhen.
Über d-fine
d-fine ist ein europäisches Beratungsunternehmen mit Fokus auf analytische und quantitative Herausforderungen und die Entwicklung nachhaltiger technologischer Lösungen. Die Kombination aus über 1.500 naturwissenschaftlich geprägten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und langjähriger Praxiserfahrung ermöglicht passgenaue, effiziente und nachhaltige Umsetzungen für unsere mehr als zweihundert Kunden aus allen Wirtschaftsbereichen.
Über planqc
planqc entwickelt Quantencomputer auf Basis neutraler Atome – der schnellste Weg zu skalierbaren Quantenprozessoren für industrielle Anwendungen. Gegründet im April 2022 in Garching bei München von Alexander Glätzle, Sebastian Blatt und Johannes Zeiher, ist planqc das erste Spin-off des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik im Rahmen der Munich Quantum Valley-Initiative. Das Unternehmen baut auf einer engen Partnerschaft mit dem Max-Planck-Institut und jahrzehntelanger Spitzenforschung in der Neutral-Atom-Quantentechnologie auf. In der Series-A-Finanzierungsrunde sicherte sich planqc 50 Millionen Euro, angeführt von CATRON Holding und dem DeepTech & Climate Fonds (DTCF). Weitere Investoren sind Bayern Kapital, die Max-Planck-Stiftung, UVC Partners, Speedinvest sowie eine Förderung des BMBF.
Über ExoMatter
Die ExoMatter Materials R&D-Plattform ermöglicht es Materialforschern und Entwicklern die besten Materialien für jede Anwendung zu finden. Die Plattform basiert auf Materialdaten aus einer Vielzahl wissenschaftlicher Simulationen, die mit Hilfe von materialwissenschaftlichen Simulationen und KI von ExoMatter aufbereitet werden. Sie bietet Zugriff auf eine breite Palette an physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften sowie Kennzahlen zur Nachhaltigkeit und etwaigen Kosten, die als Suchkriterien dienen.
Über die DLR Quantencomputing-Initiative
Die DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) bringt Forschung, Industrie und Start-ups zusammen, um gemeinsam Quantencomputer, Fertigungstechnologien und relevante Anwendungsfälle zu entwickeln. Dazu stellt die DLR QCI ihnen an zwei Innovationszentren in Hamburg und Ulm die notwendigen technologischen Infrastrukturen, Werkstätten und Büroflächen zur Verfügung. So entsteht ein starkes Ökosystem für die Industrialisierung des Quantencomputings in Deutschland, ermöglicht durch Mittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz.
