Een onderzoekssamenwerking onder leiding van het Department of Physics van de University of York heeft open-sourcesoftware gecreëerd om te helpen bij het creëren van kwantummaterialen die op hun beurt de rekenkracht van de wereld enorm kunnen vergroten.

Over de hele wereld wordt door het toegenomen gebruik van datacenters en cloudcomputing steeds meer energie verbruikt. Kwantummaterialen kunnen dit probleem helpen aanpakken, zeggen de onderzoekers.

Kwantummaterialen - materialen die gebruikmaken van onconventionele kwantumeffecten die voortkomen uit het collectieve gedrag van elektronen - kunnen taken uitvoeren die voorheen voor onmogelijk werden gehouden, zoals het oogsten van energie uit het volledige zonnespectrum of het verwerken van grote hoeveelheden gegevens met een lage warmteafvoer.

Het ontwerp van kwantummaterialen die intense rekenkracht kunnen leveren, wordt geleid door geavanceerde computerprogramma's die kunnen voorspellen hoe materialen zich gedragen wanneer ze 'opgewonden' worden door stromen en lichtsignalen.

Computational modeling heeft nu een 'kwantumsprong' gemaakt met de aankondiging van het Quantum KITE-initiatief, een reeks open-source computercodes ontwikkeld door onderzoekers in Brazilië, de EU en de Universiteit van York. KITE is in staat realistische materialen te simuleren met ongekende aantallen atomen, waardoor het bij uitstek geschikt is om kwantummaterialen te maken en te optimaliseren voor een verscheidenheid aan energie- en computertoepassingen.

Dr. Aires Ferreira, een Royal Society University Research Fellow en universitair hoofddocent natuurkunde, die de onderzoeksgroep leidt aan de Universiteit van York, zei:

"Onze aanpak maakt gebruik van een nieuwe klasse van kwantumsimulatie-algoritmen om de eigenschappen van materialen te voorspellen en aan te passen voor een breed scala aan toepassingen, variërend van zonnecellen tot transistors met een laag vermogen.

"De eerste versie van de gratis, open source KITE-code demonstreert al zeer bemoedigende mogelijkheden in elektronische structuur en simulatie van materialen op apparaatniveau.

"KITE's vermogen om met miljarden atoomorbitalen om te gaan, die voor zover wij weten ongekend is op elk gebied van de kwantumwetenschap, heeft het potentieel om nieuwe grenzen te ontsluiten in de fysica van gecondenseerde materie en computationele modellering van materialen."

Een van de belangrijkste aspecten van KITE is de flexibiliteit om realistische materialen te simuleren, met verschillende soorten inhomogeniteiten en onvolkomenheden.

Dr. Tatiana Rappoport van de Federale Universiteit van Rio de Janeiro in Brazilië, zei:

"Deze open-source software is onze inzet om belemmeringen voor realistische kwantumsimulaties weg te nemen en een open-wetenschappelijke cultuur te bevorderen. Onze code heeft verschillende innovaties, inclusief 'wanordecel'-benadering om onvolkomenheden binnen periodieke rangschikkingen van atomen te simuleren en een efficiënt schema voor het omgaan met RAM-intensieve berekeningen die nuttig kunnen zijn voor andere wetenschappelijke gemeenschappen en de industrie."

Lees de onderzoekspaper in Royal Society Open Science .