Kun je kwantumcomputers gebruiken om een ​​oude samengestelde puzzel op te lossen?

Een team van onderzoekers van de TU Delft is de eerste ter wereld die quantumcomputers gebruikt om een ​​al lang bestaande puzzel op te lossen bij het ontwerpen van vezelversterkte composietmaterialen: hoe is de optimale volgorde van de hoeken waaronder de lagen van het materiaal worden samengevoegd en gestapeld? Dit bepaalt de mechanische eigenschappen van het materiaal, wat essentieel is voor de toepassing van composieten voor lichte vliegtuigen, windturbinebladen, auto’s of zelfs batterijen. Hij QAIMSHet team is nu door naar de laatste rondes van de Airbus-BMW Quantum Computing Challenge, waar ze hun aanpak zullen presenteren om “de grenzen van de kwantumtechnologie voor mobiliteit te verleggen”.

Kwantumcomputers en het mysterie van het herstel van stapelreeksen

Arne Wulff, promovendus bij het QAIMS-team (Quantum Enhanced Artificial Intelligence for Sustainable Materials and Structural Design in Aerospace), brengt quantum computing naar het veld van composieten. Samen met een team van onderzoekers van twee faculteiten van de TU Delft (Matthew Steinberg, Sebastian Feld en Matthias Möller van Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica en Yinglu Tang en Boyang Chen van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) past hij quantum computing specifiek toe op de zogenaamde Probleem van ‘Stack Sequence Recovery’ (SSR).

Het SSR-probleem is het bepalen van de optimale volgorde van de hoeken waaronder lagen worden gestapeld in een composietlaminaat. Hierdoor kunnen fabrikanten het laminaat produceren op basis van het ontwerp.

Boyang Chen, universitair hoofddocent Aerospace Structures and Materials, is de leider van het QAIMS-team. Chen: “Op dit moment berekenen we SSR met klassieke computers met behulp van optimalisatie-algoritmen zoals het genetische algoritme, dat in essentie de beste oplossing selecteert uit een reeks potentiële oplossingen. Kwantumcomputers geven ons de mogelijkheid om naar veel meer hoeken en toestanden van stapelcombinaties te kijken Tegelijkertijd kunnen vezels in meerdere hoeken tegelijk wijzen, net als de kat van Schrödinger in de kwantummechanica, waar de kat tegelijkertijd als levend en dood kan worden beschouwd. De volgende stap van het team is het testen van hun methodologie op kwantumcomputers.

Toepassingen

Het QAIMS-team richt zich op het probleem van SSR bij het ontwerp en de optimalisatie van traditionele vezelversterkte composietlaminaten. Dit zijn sterke, lichtgewicht materialen die kunnen worden gebruikt voor dragende constructies, zoals vliegtuigrompen en -vleugels, windturbinebladen en autochassis. Het lagere gewicht van vliegtuigen en auto’s bespaart brandstof en dus uitstoot. Lichtere windturbines zorgen voor een efficiëntere energieomzetting van wind naar elektriciteit. Het oplossen van de ‘stapelvolgordeherstel’-puzzel kan daarom bijdragen aan een duurzamere luchtvaart en transport in het algemeen, maar ook aan een efficiëntere opwekking van schone energie. Maar er zijn nog veel meer toepassingen. Chen: “Wij geloven dat de impact van ons onderzoek verder gaat dan alleen dragende constructies. Het kan worden toegepast op alle nieuwe gelaagde materialen waarbij de stapelvolgorde van ontwerpopties relevant is. Denk bijvoorbeeld aan gelaagde materialen in batterijen voor energieopwekking.”

Bevoegdheid

Bedrijven zien ook de potentie. Het QAIMS-team is onlangs geselecteerd als finalist in de Airbus-BMW Quantum Computing Challenge, een wedstrijd waaraan veel industriële teams en universiteiten deelnemen en die zich richt op kwantumtechnologieën voor industriële toepassingen en mobiliteit. Het team is het enige universitaire team dat meedoet in de categorie Gouden Applicatie (‘Breaking the borders of quantum technology for Mobility’). Aan het eind van het jaar wordt de winnaar bekend gemaakt. Ongeacht de uitkomst zal het team zijn werk voortzetten. Chen: “Het is geweldig om met een team van meerdere faculteiten te werken om deze oude puzzel vanuit een compleet nieuw perspectief op te lossen.”