DLR beauftragt d-fine mit der Wassersimulation auf Quantencomputern

Als Vorreiter in ihrem jeweiligen Fachgebiet bündeln planqc, MQS und d-fine ihre Expertise, um gemeinsam im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) mit Forschenden an den DLR-Instituten für Werkstoff-Forschung, für Materialphysik im Weltraum und für Technische Thermodynamik im Projekt QuantiCoM H2Q Quantencomputer-Algorithmen für atomistische Simulationen von Wasser und Wasserstoff zu entwickeln und zu evaluieren.

Das DLR verfolgt mit seinem DLR QCI-Projekt QuantiCoM (Quantum Computing for Materials Science and Engineering) das Ziel, die Entwicklung von fortschrittlichen Methoden unter Nutzung von Quantencomputern für die Materialwissenschaften, die Werkstofftechnik und Industrie voranzutreiben, um perspektivisch eine schnellere Materialentwicklung zu ermöglichen. Das Teilprojekt „QuantiCoM H2Q“ 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 für Quantenhardware.

Die Simulation von Wasser bietet eine hervorragende Möglichkeit, die Fähigkeiten und Grenzen in der Materialsimulation zu testen, neue Methoden zu entwickeln und zu validieren, sowie grundlegende Zusammenhänge zwischen Struktur, Dynamik und weiteren Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. Da Wasser und Wasserstoff in vielen technischen und biologischen Prozessen allgegenwärtig sind, kann eine präzisere Vorhersage der Dynamik und von Reaktionsmechanismen dieser Moleküle unmittelbar viele Forschungsbereiche und industrielle Anwendungen voranbringen. Beispiele sind das Verständnis von Degradationsprozessen oder optimale Betriebsparameter von Elektrolyseuren, die Materialsimulation von Legierungen in Kontakt mit Wasserstoff und die effizientere Simulation von Wirkstoffkandidaten für die Medikamententwicklung. Viele der grundlegenden physikalischen Prinzipien und Modellierungsansätze, die bei der Simulation von Wasser angewendet werden, sind zudem auch auf andere Flüssigkeiten, Lösungen oder komplexe Materialien übertragbar.

Die herausfordernde Aufgabe, Wasser und seine verschiedenen Formen unter Berücksichtigung größerer Systeme und mehrskaliger Effekte zu simulieren, bringt klassische Methoden und bekannte Ab-initio-Methoden an Ihre Grenzen. Dies ist auf den exponentiellen Anstieg der Komplexität und damit der benötigten Rechenzeit mit steigender Teilchenzahl zurückzuführen. Der Einsatz von Quantencomputern (QC) verspricht durch eine bessere Skalierbarkeit der Simulationen eine Revolution in diesem Bereich.

Derzeitige digitale Quantencomputer sind allerdings sowohl durch die Anzahl der verwendbaren Qubits als auch durch ihre Gatterqualität limitiert. Während die Anzahl der Qubits die Menge an Information begrenzt, die verarbeitet werden kann, führt die begrenzte Gatterqualität unweigerlich zu Fehlern im Ergebnis von Berechnungen, weshalb sie als NISQ-Computer (kurz für noisy intermediate-scale quantum) bezeichnet werden. Variationelle Quanten Algorithmen (VQA) wie zum Beispiel der Variationelle Quanten Eigensolver (VQE) oder der Quanten Approximative Optimierungs Algorithmus (QAOA) haben in der Lösung von quantenchemischen Modellen auf einer hybriden „klassischen+NISQ“ Architektur Einzug gefunden. Sie haben das Potential, bei spezifischen Molekülen (z.B. korrelierte Systeme, quantendynamische Systeme) im Verhältnis zwischen Lösungsgenauigkeit und benötigter Rechenzeit einen (Quanten-)Vorteil gegenüber klassischen Methoden zu erzielen.

Die Auswahl von d-fine zur Unterstützung in diesem ambitionierten Projekt bestätigt deren Aktivitäten und Erfolge im Feld Quantum Computing. So ist d-fine unter anderem Gründungsmitglied des PlanQK Konsortiums, welches 2020 unter Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gegründet wurde und Quantum Applikationen für diverse Anwendungsfälle entwickelt und implementiert. Das deutsche Start-up planqc wurde im April 2022 gegründet und entwickelt neben Quantencomputing-Hardware auch Algorithmen im Hardware-Software-Co-Design. Für planqc und d-fine stellt dies, nach dem Auftrag zur Verbesserung von Klimamodellen mit Hilfe von Quantum Machine Learning, bereits das zweite DLR-Projekt dar. MQS ist ein im Jahre 2019 gegründetes dänisches Start-Up, das eine cloudbasierte Simulationsplattform entwickelt, die es Usern erleichtert, Stoffgrößen von Chemikalien und molekularen Strukturen zu ermitteln. Gemeinsam mit planqc und MQS ist d-fine damit der ideale Partner für das DLR und die Entwicklung von QC-Algorithmen für atomistische Simulationen von Wasser und Wasserstoff.

Über MQS

Molecular Quantum Solutions ApS (MQS) ist ein im Jahre 2019 gegründetes Start-Up. Unternehmenssitz von MQS ist Søborg außerhalb von Kopenhagen (Dänemark) im Alfa Laval Innovation House. MQS wurde von zwei PhD-Absolventen der Technischen Universität von Dänemark (DTU) gegründet: Mark Nicholas Jones und Lukasz Ruszczynski. Die Expertise von MQS fußt auf quantenchemischen Simulationen für thermodynamische Stoffgrößen und computergestützte Multiskalenmodellierung. MQS entwickelt eine cloudbasierte Simulationsplattform, um es Anwendern zu erleichtern, Stoffgrößen von Chemikalien und molekularen Strukturen zu ermitteln.

Weitere Informationen finden Sie sind unter https://mqs.dk

Über planqc

planqc baut Quantencomputer und speichert Quanteninformation in einzelnen Atomen – von Natur aus die besten Qubits. Die Quanteninformation wird verarbeitet, indem diese Qubits in hochskalierbaren Registern angeordnet und anschließend durch präzise kontrollierte Laserpulse manipuliert werden. planqc zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von Quantentechnologien aus, die den schnellsten Weg zu Quantenprozessoren mit tausenden von Qubits eröffnet, und schafft damit die notwendige Voraussetzung für einen industrierelevanten Quantenvorteil. planqc wurde im April 2022 von Alexander Glätzle, Sebastian Blatt, Johannes Zeiher, Lukas Reichsöllner zusammen mit Ann-Kristin Achleitner und Markus Wagner gegründet. planqc hat seinen Sitz in Garching bei München, zu den wissenschaftlichen Beratern zählen Prof. Dr. Dieter Jaksch (Oxford University und Universität Hamburg) und Prof. Dr. J. Ignacio Cirac (Direktor am MPQ).

Weitere Informationen finden Sie unter https://www.planqc.eu

Über die DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR)

Das Potenzial von Quanteninformationstechnologien zählt zu den grundlegenden und wegweisenden Kompetenzen der Zukunft. Es besteht die Möglichkeit, mit dem daraus resultierenden Leistungsvermögen Schlüsselbranchen zu revolutionieren. Unter allen Technologien stellen Quantencomputer einen strategisch zukunftsrelevanten und aktuell nahezu exponentiell wachsenden Forschungs- und Entwicklungsbereich dar, für den jetzt auf nationaler und internationaler Bühne die entscheidenden Weichen gestellt werden. Die DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) bindet Start-ups, Industrie und Forschung ein, um gemeinsam Quantencomputer, Software- und Anwendungen und die nötigen Enabling-Technologien zu entwickeln. Die Mittel dafür stellt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) zur Verfügung. So entsteht an den DLR-Innovationszentren Ulm und Hamburg die wirtschaftliche und industrielle Basis für das Ökosystem Quantencomputing.

Weitere Informationen finden Sie unter https://qci.dlr.de/