Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMDie UV-bedingte Alterung von Polymeren ist ein zentrales Problem in zahlreichen Industriezweigen – von Automobil über Verpackung bis Bauwesen. Im Projekt QPolyDeg wird erstmals Quantencomputing eingesetzt, um die molekularen Mechanismen der UV-induzierten Polymerdegradation auf quantenchemischer Ebene zu simulieren. Durch die Entwicklung neuartiger, nicht-variationeller Quantenalgorithmen sollen Energiespektren fermionischer Systeme berechnet werden, die mit klassischen Rechnern kaum zugänglich sind. Die Ergebnisse ermöglichen ein tiefgreifendes Verständnis von Alterungsprozessen und eröffnen neue Wege für die gezielte Entwicklung langlebigerer Polymerwerkstoffe.
Quantenalgorithmenentwicklung, Benchmarking und Ressourcenabschätzung für Materialsimulation mit Anwendervorteilen auf NISQ Quantencomputern
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Die Entwicklung neuer Energiespeicher und -wandler erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der elektronischen Eigenschaften der eingesetzten Funktionsmaterialien. Viele dieser Materialien, insbesondere Übergangsmetalloxide mit Perowskit-Struktur (z.B. ternäre Ferrate und Kobaltate), weisen stark korrelierte Elektronenzustände auf, deren quantitative Simulation mit etablierten klassischen Verfahren wie der Dichtefunktionaltheorie (DFT) an fundamentale Grenzen stößt. Selbst fortgeschrittene Einbettungsmethoden wie die Dynamical Mean Field Theory (DMFT) erfordern auf klassischen Hochleistungsrechnern erhebliche Näherungen und immensen Rechenaufwand, was die Vorhersagegenauigkeit und damit die Geschwindigkeit der Materialentwicklung limitiert.
Hier setzt das Verbundprojekt QUBE an. Ziel ist es, hybride Quanten-klassische Simulationsverfahren zu entwickeln, die den numerisch anspruchsvollsten Teil der DMFT, die Berechnung der Green'schen Funktion des korrelierten Hilfsproblems, auf einen Quantencomputer verlagern und so einen Quantenvorteil für die Materialsimulation erzielen. Das Projekt adressiert damit Einerseits den Bedarf der Energie- und Materialindustrie an präziseren, schnelleren Simulationswerkzeugen für die Entwicklung von Funktionsmaterialien für die Energiewende (Brennstoffzellen, Batterien, Katalysatoren) und andererseits den wachsenden Bedarf an konkreten, industriell relevanten Anwendungsfällen für Quantencomputer.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM im Verbund QUBE:
Das Fraunhofer IWM führt ab-initio-DFT-Simulationen für eine systematische Klasse von Perowskit-Ferraten und -Kobaltaten durch, konstruiert und parametrisiert daraus Modellhamiltonoperatoren (mittels Wannier-Transformation und cRPA) und berechnet klassische Referenzergebnisse mit sukzessive aufwendigeren Methoden (DFT+U, DFT+DMFT). Diese Referenzdaten und Hamiltonians werden den Verbundpartnern (IQM, TUHH, Bosch) als Ausgangspunkt für deren Arbeiten übergeben. Damit schafft das Fraunhofer IWM die materialwissenschaftliche Grundlage.
Darüberhinaus entwickelt das Frauhofer IWM zwei komplementäre Quantenalgorithmen zur Berechnung der Green'schen Funktion im Rahmen der DMFT. Der Krylov-Ansatz nutzt eine Kettenbruchdarstellung mit guter Ressourcenskalierung; der Zeitentwicklungsansatz berechnet die Green'sche Funktion über die Quantendynamik des Systems. Beide Verfahren werden in den etablierten DMFT-Softwarestack (TRIQS) integriert und schrittweise auf emulierter und realer IQM-Quantenhardware erprobt. Die zentrale Innovation ist die Einbettung dieser Quantensolver in den selbstkonsistenten DMFT-Zyklus – ein durchgängiger hybrider HPC/QC-Workflow von der DFT-Rechnung bis zur konvergierten Elektronenstruktur.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Hybride HPC/QC-Materialsimulation für stark korrelierte Elektronensysteme
Für Funktionsmaterialien mit komplexen elektronischen Eigenschaften (z. B. Elektroden für Brennstoffzellen und Batterien, Katalysatormaterialien, Supraleiter), konzipiert das Fraunhofer IWM Simulationsworkflows, die Quantencomputer-gestützte Lösungsverfahren in etablierte DFT+DMFT-Rechnungen integrieren. - Beratung und Machbarkeitsstudien zum Einsatz von Quantencomputing in der Materialentwicklung
Fraunhofer IWM erarbeitet Entscheidungsgrundlagen zu Investitionen in Quantencomputing-Infrastruktur und -Kompetenzen. - Simulation und Screening von Perowskit- und Übergangsmetalloxid-Materialien mit erweiterten Methoden
Der im Projekt aufgebaute, modulare Software-Stack ermöglicht es, über die im Projekt betrachteten Ferrate und Kobaltate hinaus systematisch weitere technologisch relevante Materialsysteme (z. B. für Thermoelektrik, Sensorik, Elektrokatalyse) mit höherer Genauigkeit zu screenen.
Förderhinweis
