Onderzoekers hebben een aanzienlijke sprong voorwaarts gemaakt op het gebied van kwantumsimulatie, door de grootste en meest bestuurbare simulator tot nu toe te creëren – genaamd Quantum Twins – die complexe materialen met ongekende nauwkeurigheid kan modelleren. Deze doorbraak zou de ontdekking van nieuwe materialen met revolutionaire eigenschappen kunnen versnellen, waaronder supergeleiders die onder praktische omstandigheden functioneren.
De kracht van kwantumsimulatie
Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen. Kwantumsimulators hanteren een andere aanpak: in plaats van computeroplossingen emuleren ze rechtstreeks kwantumsystemen. Dit is vooral waardevol voor de materiaalkunde omdat veel materiaaleigenschappen – zoals supergeleiding – voortkomen uit kwantumeffecten die moeilijk te berekenen zijn op gewone computers.
Traditionele simulaties worstelen met grote systemen en complexe interacties. Kwantumsimulators omzeilen deze beperking door het gedrag van elektronen in materialen direct na te bootsen, wat een kortere weg biedt naar het begrijpen en ontwerpen van exotische materialen.
Kwantumtweelingen bouwen
De Quantum Twins-simulator is gebouwd door fosforatomen in siliciumchips in te bedden. Elk atoom fungeert als een qubit – de fundamentele eenheid van kwantuminformatie – en de onderzoekers hebben deze qubits nauwkeurig gerangschikt om de atomaire structuur van echte materialen na te bootsen.
De huidige versie van Quantum Twins bestaat uit rasters met 15.000 qubits, waarmee eerdere simulatoren worden overtroffen. Cruciaal is dat het team ook de elektronische eigenschappen van het gesimuleerde materiaal controleert door af te stemmen hoe gemakkelijk elektronen bewegen of interageren binnen het raster. Dit niveau van controle is essentieel voor nauwkeurige modellering.
Eerste resultaten en toekomstperspectieven
Het team testte de simulator door een bekend model na te maken van hoe defecten de elektrische geleidbaarheid beïnvloeden. De resultaten valideren het vermogen van de simulator om complexe systemen aan te kunnen die klassieke computers uitdagen.
Vooruitkijkend staat Quantum Twins klaar om enkele van de grootste uitdagingen in de materiaalwetenschap aan te pakken:
- Supergeleiders op kamertemperatuur: Huidige supergeleiders vereisen extreme kou of druk. Kwantumsimulatie zou kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen die supergeleidend zijn onder omgevingsomstandigheden, wat een revolutie teweegbrengt in de transmissie en opslag van energie.
- Ontdekking van geneesmiddelen en kunstmatige fotosynthese: Het simuleren van interfaces tussen metalen en moleculen zou de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen en efficiëntere apparaten voor kunstmatige fotosynthese kunnen versnellen.
Waarom dit belangrijk is
Het vermogen om materialen nauwkeurig te modelleren op kwantumniveau is een gamechanger. Het gaat niet alleen om snellere berekeningen; het gaat over het ontwerpen van materialen met eigenschappen die momenteel onmogelijk te bereiken zijn. Deze doorbraak brengt onderzoekers dichter bij technische materialen met op maat gemaakte eigenschappen, waardoor mogelijk grote uitdagingen op het gebied van energie, geneeskunde en daarbuiten kunnen worden opgelost.
“De schaal en beheersbaarheid die we met deze simulatoren hebben bereikt, betekent dat we nu klaar zijn om een aantal zeer interessante problemen aan te pakken”, zegt Michelle Simmons, hoofdonderzoeker van het project.
Deze ontwikkeling suggereert een toekomst waarin materialen atoom voor atoom worden ontworpen, waardoor eigenschappen worden ontsloten waar we vandaag alleen maar van kunnen dromen.
