Mit dem Ziel, die praktischen Anforderungen an Quantenhardware für die Modellierung realistischer Materialien sowie für die Leistungsvorhersage für Anwendungen zur Energiespeicherung und -umwandlung zu verstehen, bearbeitet das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO im Rahmen eines erteilten Unterauftrags zwei sich ergänzende Bereiche. Zum einen leiten die Forscher mithilfe der Density Matrix Embedding Theory (DMET) genaue Hamiltonian-Modelle ab, die das stark korrelierte, elektronische Verhalten in Redoxmaterialien erfassen. Diese Modelle bilden die Grundlage für modernste Quanten- und Tensor-Netzwerksimulationen.
Zum anderen bewerten sie die Machbarkeit der Verwendung von Quantenalgorithmen zur Berechnung der Grundzustandsenergie dieser komplexen Systeme. Durch die Einbringung ihres Fachwissens als Subunternehmer von Tensor AI Solutions tragen die Institute Fraunhofer IAO und IPA als flaQship (Fraunhofer-Lab für anwendungsorientiertes Quantencomputing Stuttgart-Heilbronn) dazu bei, eine Brücke zwischen Quantencomputing und Materialwissenschaften zu schlagen und den Weg für effizientere, nachhaltigere Energielösungen zu ebnen.
flaQship unterstützt das DLR QCI-Projekt QCMineral | QUADRANT bei quantengestützter Materialsimulation
Das High-Tech Unternehmen Tensor AI Solutions wurde im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für das Projekt QCMineral | QUADRANT beauftragt. Ziel des Forschungs- und Entwicklungsprojektes ist die Simulation von Redoxmaterialien zur effizienten Erzeugung und Speicherung von Energie. Die Tensor AI Solutions GmbH bringt dabei ihre Expertise in tensornetzwerk-basierter KI und Quantensimulation ein und koordiniert das Projekt auf Industrieseite. Die Umsetzung erfolgt unter Einbindung des Fraunhofer IAO und des Fraunhofer IPA, die als Unterauftragnehmer ihre Expertise in Materialsimulation und Quantencomputing einbringen. Auf Seiten des Auftraggebers wird das Projekt am DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum sowie am DLR-Institut für Future Fuels durchgeführt.
QCMineral ist ein Projekt der DLR Quantencomputing-Initiative und wird ermöglicht mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR). Redoxmaterialien spielen eine zentrale Rolle bei der effizienten Umwandlung und Speicherung von Energie in thermochemischen Zyklen. Die gezielte Materialauslegung entscheidet darüber, wie effizient Wärme – etwa aus konzentrierter Sonnenstrahlung oder industrieller Abwärme – in chemische Energie umgewandelt werden kann. Für die Bewertung und Optimierung dieser Materialien sind hochpräzise Berechnungen der quantenmechanischen Effekte erforderlich, die mit bisherigen Simulationsverfahren, wie der Dichtefunktionaltheorie, nur eingeschränkt möglich sind.
Quantencomputing als zentrales Simulationsverfahren
Hier kann die Anwendung von fortgeschrittenen Simulationsverfahren, darunter der Einsatz von Quantencomputern und Tensornetzwerken einen entscheidenden Vorteil in der Erforschung neuer Materialien bringen. Tensornetzwerke ermöglichen eine strukturierte, kontrollierbare und transparente Datenverarbeitung und leisten damit einen wichtigen Beitrag zu nachvollziehbaren Simulationen und erklärbarer KI in einem hochkomplexen physikalisch-chemischen Anwendungsfeld.
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO