量子超級運算開啟材料科學研究新紀元
科技產業資訊室(iKnow) - 黃松勳 發表於 2024年11月6日
圖、量子超級運算開啟材料科學研究新紀元
在材料科學領域，傳統運算方法正快速接近其極限，特別是在模擬原子尺度的複雜互動時，往往需要耗盡現有的運算能力。來自Robert-Bosch、IBM量子運算部門和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)等機構的研究團隊最近進行了一項調查，評估量子超級運算在材料科學領域的發展現況，為這個領域帶來新的希望。
研究指出，以量子為中心的超級運算(Quantum-Centric Supercomputing)不僅是一種優勢選擇，更是未來發展的必然趨勢。透過在量子處理器和傳統處理器之間分配運算任務，這種混合運算模式可以處理特殊運算、整合現有工作流程，並協助過濾來自量子裝置的雜訊輸出。在實際應用中，量子運算可能作為高效能運算的補充，而非獨立解決方案。
為了應對原子尺度材料模擬的龐大複雜性，研究團隊提出了多種專門的量子演算法。其中包括變分量子本徵解算器(VQE)，這種混合量子傳統演算法對於近期量子裝置特別適用，能夠有效近似分子系統的基態。此外，量子相位估計(QPE)演算法雖然需要容錯量子系統支援，但在能量狀態的精確計算方面具有重要價值。
在實際應用層面，電池設計是一個重要的突破點。量子演算法在模擬電子結構方面表現出色，可以準確預測材料的穩定性和反應性，這對於設計高效、持久的電池至關重要。這些模擬可能加速發現能提升儲能效率的新材料，對於推進再生能源技術發展具有重要意義。
熱特性模擬是另一個關鍵應用領域。量子運算使得詳細模擬材料對溫度變化的反應成為可能，這對航太工程和氣候科學等領域具有重要價值。透過這些深入見解，工程師可以開發出適應極端溫度的材料，從太空船組件到適應氣候變遷的建築材料都能受益。
在催化劑優化方面，量子模擬也展現出巨大潛力。在製藥和綠能等產業中，反應效率至關重要。量子模擬可能促進設計出能加速化學反應同時最小化資源使用的催化劑，支援永續且具成本效益的工業實踐。
量子超穎材料(quantum metamaterials)是另一個重要研究方向，這類具有特殊性質（如負折射率）的人造材料，可從量子超級運算中獲得顯著優勢。量子演算法能夠簡化這些複雜設計的優化過程，在光學、電信和先進能源解決方案等領域都有廣泛應用。
然而，研究也指出了一些亟待解決的挑戰。錯誤管理是首要障礙，量子系統容易受到退相干影響，外部干擾會破壞進行運算所需的精密量子態。這種錯誤率限制了運算規模的擴展，特別是在處理更大系統的影響尤為顯著。
在架構整合方面也存在挑戰。許多演算法都有密集記憶體需求，這對量子裝置有限的記憶體容量造成壓力。研究團隊強調，克服這些挑戰需要量子運算、傳統運算和材料科學領域的專家共同努力。
量子中心超級運算為材料科學的未來描繪了一幅令人期待的願景。藉由利用傳統和量子系統混合方法的高效能運算，為更複雜的材料模擬創造了必要環境。隨著技術不斷進步和挑戰逐步克服，我們可以期待看到更多突破性的應用出現，推動材料科學研究進入新的發展階段，為人類社會的永續發展提供強大的技術支撐。(1153字；圖1)
參考資料：
Quantum-centric supercomputing for materials science: A perspective on challenges and future directions. Future Generation Computer Systems. 2024/05/31.
Living in a Material World: Quantum-Centric Supercomputing May Redefine Materials Science. The Quantum Insiider. 2024/10/29.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
【聲明】
1.科技產業資訊室刊載此文不代表同意其說法或描述，僅為提供更多訊息，也不構成任何投資建議。
2.著作權所有，非經本網站書面授權同意不得將本文以任何形式修改、複製、儲存、傳播或轉載，本中心保留一切法律追訴權利。
|