Ny kvante tilgang hjælper med at løse et gammelt problem inden for materialevidenskab

En af de vigtigste klasser af problemer, som alle forskere og matematikere stræber efter at løse, på grund af deres relevans i både videnskab og det virkelige liv, er optimeringsproblemer. Fra esoteriske computervidenskabspuslespil til de mere realistiske problemer med køretøjsruting, investeringsporteføljedesign, og digital marketing - kernen i det hele ligger et optimeringsproblem, der skal løses.

En tiltalende teknik, der ofte bruges til at løse sådanne problemer, er teknikken med 'kvanteglødning, 'en ramme, der tackler optimeringsproblemer ved at bruge' kvantetunneling ' - et kvantefysisk fænomen - til at vælge en optimal løsning ud af flere kandidatløsninger. Ironisk, det er i kvantemekaniske problemer, hvor teknikken har fundet temmelig knap anvendelse. "Kemikere og materialeforskere, der beskæftiger sig med kvanteproblemer, er for det meste ukendt med kvanteglødning og tror derfor ikke at bruge det. At finde anvendelser af denne teknik er derfor vigtig for at øge dens anerkendelse som en nyttig metode på dette domæne, "siger professor Ryo Maezono fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), der har specialiseret sig i at anvende informationsvidenskab inden for materialevidenskab.

Til det formål, Professor Maezono udforskede, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , fænomenet iondiffusion i faste stoffer, et emne af stor interesse for både ren og anvendt materialevidenskab, sammen med sine kolleger, Keishu Utimula, en ph.d. kandidat i materialevidenskab fra JAIST (i 2020) og hovedforfatter af undersøgelsen, Prof. Kenta Hongo, og prof. Kousuke Nakano, ved at anvende en ramme, der kombinerede kvanteglødning med ab initio -beregninger, en metode, der beregner materialers fysiske egenskaber uden at stole på eksperimentelle data. "Mens nuværende ab initio -teknikker kan give oplysninger om ionernes diffusionsstienetværk, det er svært at kortlægge disse oplysninger til nyttig viden om diffusionskoefficienten, en praktisk relevant mængde, "forklarer prof. Maezono.

Specifikt, teamet søgte at beregne 'korrelationsfaktoren, 'en nøglemængde i diffusionsprocessen, og indså, at dette kunne gøres ved at indramme processen som et routingoptimeringsproblem, hvilket er præcis hvad kvanteanglødningsrammen er designet til at løse! Derfor, forskere beregnede korrelationsfaktoren for et enkelt todimensionalt tetragonalt gitter, som de allerede kendte det nøjagtige resultat til, ved hjælp af kvanteglødning og en række andre beregningsteknikker og sammenlignede deres output.

Mens de evaluerede korrelationsfaktorer var i overensstemmelse med det analytiske resultat for alle de anvendte metoder, alle tilgange led under begrænsninger på grund af urealistiske beregningsomkostninger for store systemstørrelser. Imidlertid, forskere bemærkede, at beregningsudgiften til kvanteglødning voksede meget langsommere lineært i forhold til de andre teknikker, som viste hurtig eksponentiel vækst.

Professor Maezono er begejstret for fundet og er overbevist om, at med tilstrækkelig teknologisk udvikling kvanteglødning ville præsentere sig selv som det bedst mulige valg til løsning af problemer inden for materialevidenskab. "Problemet med iondiffusion i faste stoffer er af central betydning ved opbygning af mindre batterier med højere kapacitet eller forbedring af stålets styrke. Vores arbejde viser, at kvanteglødning er effektiv til at løse dette problem og kan udvide omfanget af materialevidenskab som helhed, "slutter han.