AQUAS

Anwendung von Quantensimulationen in der Wasserstoffforschung

© Projekt AQUAS

Projektbeschreibung
Die Quantensimulation von Materialien ist eine der wichtigsten Anwendungen von Quantencomputern der näheren Zukunft, da sie vergleichsweise moderate Anforderungen an Größe und Präzision der Hardware stellt. Im Projekt AQUAS werden Softwaretools für die quantenmechanische Simulation von relevanten Materialien zur Wasserstoff-herstellung und Effizienzsteigerung von bereits einsatzbereiten Katalysatoren implementiert und validiert. Der Fokus liegt dabei auf Algorithmen, die bereits auf aktueller, relativ fehlerbehafteter Hardware einsetzbar sind.

Herausforderung und Innovation
Auch wegen des politischen Ziels des Energiewandels werden Brennstoffzellen und Elektrolyseure immer wichtiger für den Industriestandort Deutschland. Um dafür erforderliche Effizienzsteigerungen zu erreichen, ist unter anderem eine genauere Untersuchung des elektrochemischen Grenzflächenprozesses notwendig. Dazu eignet sich die quanten-chemische numerische Berechnung von Atom- und Molekülbindungen. Diese werden durch Elektronen vermittelt, die in vielen unterschiedlichen Quantenzuständen vorliegen können. Die exponentielle Vielzahl möglicher Quanten-zustände kann allerdings nur näherungsweise auf klassischen Computern abgebildet werden und erfordert eine Kombination verschiedener Simulationstechniken, was wiederum die Vorhersagekraft begrenzt. Das Design neuer Katalysatoren und Elektrodenstrukturen ist darum bisher nur im ständigen Abgleich mit aufwendigen Experimenten möglich. Da Quantensimulationen mit Quantencomputern hingegen linear mit der Systemgröße skalieren, können diese bisher nicht handhabbare Simulationen ermöglichen.

Lösungsansatz
Aufgrund dieser exponentiell besseren Skalierung, bei der die Qubitzahl linear mit der Anzahl der Quantenzustände wächst, kann die Simulation auf Quantencomputern erhebliche Vorteile bei der Simulation elektrochemischer Grenz-flächeneffekte, z. B. bei der Sauerstoffkatalyse, bringen. Aktuell ist der Zugewinn an Rechenleistung durch Quanten-computer jedoch noch auf wenige Anwendungsfälle limitiert. Hybride Algorithmen, bei denen klassische Computer und Quantencomputer zur Simulation der Katalysatoren eng miteinander verzahnt werden, versprechen hier das Beste aus beiden Welten zu kombinieren. Dies geschieht zum einen durch Einsatz von variationellen Quantenalgo-rithmen, aber insbesondere auch durch Verfahren, die eine sogenannte Einbettung durchführen und das Material-problem in Unterprobleme aufteilen, von denen ein Teil auf dem Quantencomputer gelöst werden muss. Darüber hinaus sollen diese hybriden Quantensimulationen durch den Einsatz von Quantum Machine Learning (QML) Metho-den ergänzt werden. Das Projekt AQUAS strebt die Implementierung all dieser Verfahren in Softwaretools zur genau-eren Beschreibung von Elektrolysematerialien an.

Konsortium
HQS Quantum Simulations GmbH (Konsortialführer), DLR Institut für Softwaretechnologie, DLR Institut für Technische Thermodynamik, Universität Ulm, Fraunhofer IPA

Laufzeit
Januar 2022 – Dezember 2024

Budget
Gesamtvolumen: 3,5 Mio. €
Fördermittel: 2,7 Mio. €