Een van de belangrijkste soorten problemen die alle wetenschappers en wiskundigen willen oplossen, vanwege hun relevantie in zowel de wetenschap als het echte leven, zijn optimalisatieproblemen. Van esoterische informatica-puzzels tot de meer realistische problemen van voertuigroutering, ontwerp van beleggingsportefeuilles, en digitale marketing - de kern van dit alles is een optimalisatieprobleem dat moet worden opgelost.

Een aansprekende techniek die vaak wordt gebruikt bij het oplossen van dergelijke problemen is de techniek van 'quantum annealing, ' een raamwerk dat optimalisatieproblemen aanpakt door 'kwantumtunneling' - een kwantumfysisch fenomeen - te gebruiken om een ​​optimale oplossing te kiezen uit verschillende kandidaat-oplossingen. Ironisch, het is in kwantummechanische problemen waar de techniek nogal schaars wordt toegepast. "Chemici en materiaalwetenschappers, die zich bezighouden met kwantumproblemen, zijn meestal niet bekend met kwantumgloeien en denken er daarom niet aan het te gebruiken. Het vinden van toepassingen van deze techniek is daarom belangrijk voor het vergroten van de erkenning als een bruikbare methode in dit domein, " zegt Prof. Ryo Maezono van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), die gespecialiseerd is in het toepassen van informatiewetenschap op het gebied van materiaalkunde.

Daartoe, Prof. Maezono onderzocht, in een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , het fenomeen van ionische diffusie in vaste stoffen, een onderwerp van groot belang in zowel pure als toegepaste materiaalkunde, samen met zijn collega's Keishu Utimula, een doctoraat afgestudeerd in materiaalkunde aan JAIST (in 2020) en hoofdauteur van de studie, Prof. Kenta Hongo, en prof. Kousuke Nakano, door een raamwerk toe te passen dat kwantumgloeien combineerde met ab initio-berekeningen, een methode die fysieke eigenschappen van materialen berekent zonder te vertrouwen op experimentele gegevens. "Hoewel de huidige ab initio-technieken informatie kunnen verschaffen over diffusiepadnetwerken van de ionen, het is moeilijk om die informatie in kaart te brengen in bruikbare kennis van de diffusiecoëfficiënt, een praktisch relevante hoeveelheid, " legt prof. Maezono uit.

specifiek, het team probeerde de 'correlatiefactor, ' een belangrijke grootheid in het diffusieproces, en realiseerde zich dat dit kon worden gedaan door het proces in te kaderen als een optimalisatieprobleem voor de routering, en dat is precies waar het kwantumuitgloeiingsraamwerk is ontworpen om op te lossen! Overeenkomstig, wetenschappers berekenden de correlatiefactor voor een eenvoudig tweedimensionaal tetragonaal rooster, waarvan ze het exacte resultaat al kenden, met behulp van kwantumgloeien en een verscheidenheid aan andere rekentechnieken en vergeleken hun output.

Hoewel de geëvalueerde correlatiefactoren consistent waren met het analytische resultaat voor alle gebruikte methoden, alle benaderingen hadden te kampen met beperkingen als gevolg van onrealistische rekenkosten voor grote systeemgroottes. Echter, wetenschappers merkten op dat de rekenkosten voor kwantumgloeien veel langzamer lineair groeiden in vergelijking met de andere technieken, die een snelle exponentiële groei liet zien.

Prof. Maezono is enthousiast over de bevinding en is ervan overtuigd dat, met voldoende technologische vooruitgang, kwantumgloeien zou zichzelf presenteren als de best mogelijke keuze voor het oplossen van problemen in de materiaalwetenschap. "Het probleem van ionendiffusie in vaste stoffen is van centraal belang bij het bouwen van kleinere batterijen met een hogere capaciteit of het verbeteren van de sterkte van staal. Ons werk toont aan dat kwantumgloeien effectief is bij het oplossen van dit probleem en de reikwijdte van de materiaalwetenschap als geheel kan uitbreiden, " concludeert hij.