Quantencomputer: Rechnerische Abkürzung zu neuen Legierungen
Der erste Job von Quantencomputern wird es sein, nach besseren Materialien für Displays, Batterien oder Supraleiter zu suchen.
- Denis Dilba
Quantencomputer können Materialforschern helfen, einen nahezu unendlich großen Raum neuer Möglichkeiten zu erkunden. Das berichtet das Magazin Technology Review in seiner aktuellen Ausgabe 5/2017 (jetzt am Kiosk oder hier zu bestellen.)
Auf der Suche nach neuen Materialien
Schon heute helfen Computersimulationen, die Stecknadeln im Heuhaufen unüberschaubarer Materialkombinationen zu finden. Der Chemiker Tom Woo von der University of Ottawa hat auf diese Weise beispielsweise ein Metal Organic Framework gefunden, das sechs Mal so viel CO2 aufnehmen kann wie bisheriges Filtermaterial – beim halben Energiebedarf, um das Kohlendioxid wieder aus dem porösen Material zu lösen. So rückt eine wirtschaftliche CO2-Abscheidung erstmals in greifbare Nähe. Und Dierk Raabe, Direktor des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, hat eine Titan-Legierung mit rund 30 Prozent Niob oder Molybdän entdeckt, die ähnliche mechanische Eigenschaften hat wie der menschliche Knochen – ideal für Implantate.
Eine bisher kaum erkundete Welt stellen sogenannte Hochentropie-Legierungen dar. Eine traditionelle Legierung besteht in aller Regel aus einem Hauptmetall mit kleineren Mengen anderer Elemente. Dank Computersimulationen können die Forscher nun deutlich weiter gehen. Sie berechnen, welche Elemente miteinander gemischt werden könnten, und verschmelzen möglichst viele davon – und zwar meist zu gleichen Teilen.
Rezepte in der Materialwissenschaft
Seit der ersten Veröffentlichung aus dem Jahr 2004 konnte sich zwar noch keine Hochentropie-Legierung auf dem Massenmarkt etablieren. Doch in der Forschung haben sie bereits für handfeste Überraschungen gesorgt. Normalerweise wird ein Material beispielsweise spröde, wenn es stark gekühlt wird. Eine Legierung aus je einem Fünftel Eisen, Mangan, Nickel, Kobalt und Chrom wird jedoch mit zunehmender Kälte immer flexibler. Und eine Mischung aus Eisen mit 30 Prozent Mangan sowie je 10 Prozent Kobalt und Chrom vereint scheinbar widersprüchliche Eigenschaften: Sie ist gleichzeitig fest und gut formbar.
Doch beliebig durchdeklinieren lassen sich solche Materialkombinationen nicht. Stahl etwa verändert sich mit Tausendstelabstufungen im Kohlenstoffgehalt. Kommt ein drittes Material dazu, sind es bereits 1000 mal 1000 Abstufungen. Und wenn man von allen 60 Elementen des Periodensystems, die wir heute kommerziell nutzen, verschiedene Legierungen in diesen Abstufungen herstellen würde, bekäme man 1070 mögliche Materialien.
Heimspiel für Quantencomputer
Das überfordert selbst die schnellsten Supercomputer. Schon bei kleinen Molekülen reicht ihre Rechenleistung nicht aus, das komplexe Quantenverhalten aller Atome und Elektronen nachzubilden. Für Quantenrechner ist das hingegen ein Heimspiel, weil sie ihre Daten selbst in Form von Quantenzuständen ("Qubits") codieren. Damit können sie rechnerische Abkürzungen nehmen, die konventionellen Maschinen verwehrt sind. "Heute kalibrieren wir die Simulationen ständig mit experimentellen Daten", sagt Harvard-Chemieprofessor Alán Aspuru-Guzik. "Das wird mit Quantencomputern nicht mehr nötig sein."
Sowohl IBM als auch Google wollen in den nächsten Jahren Quantenrechner auf den Markt bringen. Ihr erster Job wird es wohl sein, nach besseren Materialien für Displays, Batterien oder Supraleiter zu suchen. "Bei den theoretischen Vorarbeiten ist die Chemie führend", sagt Scott Crowder, Technikvorstand von IBM Systems. Und auch Microsoft beackert dieses Feld. Bei der Hardware ist der Konzern zwar noch nicht so weit wie IBM und Google, aber dafür weit vorn bei der Entwicklung praktischer Algorithmen. Die Konzernforscher haben kürzlich gezeigt, wie ein konventioneller Computer und ein kleiner Quantenrechner gemeinsam chemische Prozesse simulieren. Die Menschen können künftig möglicherweise Atome so arrangieren wie heute Bits und Bytes. (grh)
