QuESt+: IBM-Quantencomputer - Materialdesign für elektrochemische Energiespeicher und -wandler mit innovativen Simulationstechniken

Projektbeschreibung

Das vorangegangene Projekt »QuESt« hat gezeigt, wie mithilfe neuer Algorithmen auf Quantencomputern elektrochemische Prozesse auf atomarer und makroskopischer Ebene numerisch und mit prädiktivem Charakter simuliert werden können, um Materialien für zuverlässige, sichere und langlebige Anlagen zur Übertragung, Speicherung und Umwandlung von Energieträgern zu entwickeln.

Im Projekt »QuESt+« wurden die gewonnenen Erkenntnisse vertieft und erreichte Ergebnisse entscheidend weiterentwickelt. Hierzu wurden Fehlermitigationsstrategien entwickelt, Quantencomputing-Algorithmen auf die Beschreibung elektrochemischer Prozesse in Elektrolyten und Festkörperelektroden erweitert sowie die Lösung von partiellen Differentialgleichungen mithilfe des Quantencomputers weiterentwickelt.

Verbesserte Simulationsmethoden können sowohl die Batterieforschung als auch die Brennstoffzellen-/Elektrolyseurzellen-Materialforschung voranbringen, da das in »QuESt+« fokussierte Verhalten von Elektronen und Ionen an Grenzflächen entscheidend ist für die Funktion und Lebensdauer elektrochemischer Energiespeicher.

Darüber hinaus ermöglichen die im Projekt entwickelten prädiktiven Simulationen elektrochemischer Prozesse präzisere atomistische Berechnungen, die zur Konzeption von Materialdesigns genutzt werden könnten.

Die Ziele des Projekts waren im Detail:

• Weitere Untersuchung existierender Fehler der Noisy Intermediate Scale Quantum Computer (NISQ) und Entwicklung wie Anwendung von Fehlermitigationsstrategien
• Erweiterung von Quantencomputing-Algorithmen für atomare elektrochemische Reaktionen in Elektrolyten und Anwendung dieser auf relevante Fragestellungen
• Fehlertolerante Weiterentwicklung von Quantencomputer-Algorithmen für die Dynamical Field Theory (DMFT) zur Beschreibung elektrochemischer Prozesse in Festkörperelektroden und Erweiterung auf realistische Modellsysteme mit stark korrelierten Elektronenzuständen
• Weiterentwicklung der Lösung von partiellen Differentialgleichungen zur makroskopischen Beschreibung elektrochemischer Prozesse mit Hilfe des Quantencomputers 

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

Im Projekt »QuESt+« konzentrierte sich das Fraunhofer IWM auf die Entwicklung und Anwendung von Quantencomputing-Algorithmen zur Simulation elektrochemischer Prozesse. Es wurden Algorithmen entwickelt, auf IBM-Quantumcomputern implementiert und erprobt, die die Simulation prädiktiver Modelle erlauben, die das Verhalten von Elektronen und Ionen an Grenzflächen in Energiespeichern wie Batterien und Brennstoffzellen präzise beschreiben. Ziel war es, die Entwicklung zuverlässiger, sicherer und langlebiger Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung zu unterstützen.