Ứng dụng máy tính lượng tử trong khoa học vật liệu

Công nghệ lượng tử cung cấp một cách tiếp cận mạnh mẽ và hiệu quả hơn để nghiên cứu và phân tích cấu trúc và tính chất của các vật liệu. Dưới đây là một số ứng dụng chính của máy tính lượng tử trong lĩnh vực này.

Tính toán cấu trúc và động lực học của vật liệu: Máy tính lượng tử có thể mô phỏng và dự đoán cấu trúc của các vật liệu ở mức độ nguyên tử và phân tử. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cấu trúc tinh thể, biểu đồ năng lượng, và quá trình động học của vật liệu.

Tính toán tính chất điện tử của vật liệu: Công nghệ lượng tử có khả năng tính toán các tính chất điện tử của vật liệu như dẫn điện, dẫn nhiệt, cấu trúc dãy năng lượng của các nguyên tố và phân tử. Điều này giúp nghiên cứu viên đánh giá và thiết kế các vật liệu dựa trên yêu cầu cụ thể.

Tìm kiếm và thiết kế vật liệu mới: Sử dụng máy tính lượng tử, các nhà khoa học có khả năng tạo ra các vật liệu mới có tính chất độc đáo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, năng lượng tái tạo, y học, và nhiều lĩnh vực khác.

Tính toán tương tác giữa vật liệu và tia X, tia gamma: Trong lĩnh vực phân tích tia X và tia gamma, máy tính lượng tử có thể tính toán tương tác giữa các vật liệu và tia X, tia gamma để xác định cấu trúc tinh thể và hình dạng của các mẫu thử.

Mô phỏng vật liệu ở điều kiện cực đo: Công nghệ lượng tử cho phép mô phỏng và nghiên cứu tính chất của vật liệu ở điều kiện cực đo như áp suất cao, nhiệt độ thấp, và điều kiện khắc nghiệt khác.

Tính toán cấu trúc và tính chất của vật liệu nano: Máy tính lượng tử có thể giúp xác định cấu trúc và tính chất của các vật liệu nano, như nanorods, nanowires, và các nano-hạt, điều này có ứng dụng quan trọng trong phát triển các thiết bị nano và vật liệu thông minh.

Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn và vật liệu từ tính: Công nghệ lượng tử giúp hiểu rõ hơn về tính chất đặc biệt của các loại vật liệu như vật liệu siêu dẫn và vật liệu từ tính, và tạo ra ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử và lưu trữ dữ liệu.

Với khả năng mô phỏng các tương tác lượng tử ở cấp độ nguyên tử và phân tử của máy tính lượng tử, các vấn đề nằm ngoài phạm vi của máy tính hiện tại có khả năng được giải quyết, mở ra một chương mới của khám phá khoa học (về vật liệu mới, y học, năng lượng, sinh học) điều đó có thể thay đổi cách thức quản lý khí hậu, an ninh lương thực và năng lượng cũng như sức khỏe.

Các hệ thống hoặc quá trình, chẳng hạn như phân tử, phản ứng hóa học, hạt nhân hoặc electron trong chất rắn, là cơ học lượng tử. Hiểu được hành vi và tính chất của các quá trình này là thách thức chính trong vật lý, hóa học và sinh học, đồng thời là cơ sở của sự tiến bộ trong dược phẩm, năng lượng, nông nghiệp và khoa học vật liệu.

Các phương pháp thử nghiệm truyền thống diễn ra chậm chạp. Số lượng lớn các tổ hợp phân tử có thể có theo cấp số nhân có thể tạo ra kết quả mong muốn – chẳng hạn như quy trình xúc tác sạch và hiệu quả để sản xuất năng lượng – có nghĩa là xác suất tìm ra giải pháp mới trong bất kỳ thí nghiệm cụ thể nào là thấp, khiến nỗ lực chung vừa chậm vừa tốn kém.

Việc các máy tính thông thường không có khả năng bắt chước chính xác các hệ lượng tử với nhiều hơn một vài hạt có nghĩa là điện toán đã hạn chế tác động lên các lĩnh vực này. Ngay cả những siêu máy tính tiên tiến nhất cũng phải mất hàng thế kỷ để mô hình hóa bất kỳ vấn đề nào trong số này.

Các tính chất của nguyên tử và phân tử cũng như tương tác của chúng được xác định bởi cơ học lượng tử, làm cho máy tính lượng tử phù hợp một cách tự nhiên để lập mô hình và đẩy nhanh đáng kể việc khám phá trong các lĩnh vực này.

Đối với vật liệu cao cấp, các năng lực tính toán lượng tử mới mở ra khả năng của các hệ thống mô hình cơ học lượng tử, chẳng hạn như phân tử, polyme và chất rắn, ở một mức độ chính xác khác.

Đối với các ngành công nghiệp dựa trên hóa chất, có thể xác định các thiết kế hoặc cấu trúc phân tử hiệu quả nhất để hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể và đạt được các hiệu quả cần thiết – trước khi tổng hợp một phân tử đơn lẻ trong phòng thí nghiệm – từ chất xúc tác mới thành các cụm mới.

Đối với các ngành sản xuất và xây dựng, việc mở rộng kiến thức từ các phân tử và hợp chất sang vật liệu sẽ cho phép thiết kế các hợp kim, vải và lớp phủ mới với các đặc tính mong muốn về trọng lượng, độ bền và tính linh hoạt với tốc độ nhanh hơn. Điều này sẽ mở đường cho các sản phẩm công nghiệp và khách hàng có ý thức tuân thủ hiệu quả năng lượng, an toàn, dị ứng hoặc các hạn chế khác (ví dụ: clanhke xi măng không carbon).

Các công ty Total Energies và Quantinuum đang sử dụng các thuật toán điện toán lượng tử để phát triển và triển khai các vật liệu thu giữ carbon mới bằng cách mô phỏng hành vi của các khung kim loại-hữu cơ, một nhiệm vụ quá khó đối với các siêu máy tính hiện đại.

Với sản xuất, lưu trữ và hiệu quả năng lượng: Ứng dụng trực tiếp nhất của khoa học vật liệu cho ngành năng lượng nằm ở các thành phần của hệ thống năng lượng, cho phép tạo và lưu trữ điện, cũng như mô hình hóa và nghiên cứu các quá trình năng lượng.

Ngoài ra, một số trường hợp sử dụng hứa hẹn những cải thiện đáng kể về hiệu quả sử dụng năng lượng – tất cả đều có thể góp phần vào nỗ lực biến đổi khí hậu đang diễn ra trong các ngành công nghiệp.

Mô phỏng perovskites để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn giúp chuyển đổi nhiều năng lượng mặt trời hơn thành điện năng. Điều này có thể liên quan đến việc bắt chước và học hỏi từ quá trình quang hợp tự nhiên diễn ra ở thực vật có thể được mô phỏng bằng máy tính lượng tử.

Thiết kế các hệ thống lưu trữ năng lượng và pin mới, tăng tốc mô phỏng lượng tử của vật liệu điện phân, cực dương và cực âm, đồng thời chọn các tùy chọn tốt nhất thông qua tối ưu hóa. Khám phá các chất xúc tác tốt hơn – các hợp chất hóa học đặc biệt đẩy nhanh các phản ứng hóa học phục vụ một mục đích xác định.

Chất xúc tác là chìa khóa để: Giảm chi phí năng lượng và tốc độ sản xuất hydro xanh; Khả năng tồn tại và hiệu quả của quá trình cô lập carbon – một phản ứng hóa học tách carbon dioxide ra khỏi không khí (hay còn gọi là thu giữ carbon); Mô hình hóa các quy trình pha khí (cracking nhiệt, nhiệt phân, đốt cháy), giúp tạo ra và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn trong các quy trình và sản phẩm khác nhau.

Các công ty Mercedes-Benz và PsiQuantum gần đây đã chia sẻ các kết quả nghiên cứu về tác động của điện toán lượng tử đối với việc thiết kế pin cho xe điện, bao gồm cả pin lithium-ion (phổ biến nhất), điều này cho thấy mức độ tăng tốc độ trong thời gian chạy điện toán.

Tóm lại, máy tính lượng tử đã mở ra một loạt các cơ hội trong lĩnh vực khoa học vật liệu, cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu và thiết kế các vật liệu mới với tính chất độc đáo và ứng dụng rộng rãi. Điều này có tiềm năng thay đổi cách chúng ta sử dụng và tận dụng các vật liệu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học khác nhau.