Zespół badaczy z TU Delft jako pierwszy na świecie zastosował obliczenia kwantowe do rozwiązania starej zagadki w projektowaniu materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami: jak określić optymalną sekwencję kątów, pod którymi warstwy materiału są łączone i układane. To warstwowanie określa właściwości mechaniczne materiału, niezbędne do stosowania materiałów kompozytowych w lekkich samolotach, łopatkach turbin wiatrowych, samochodach, a nawet bateriach itp. Zespół QAIMS przeszli do ostatniej rundy konkursu Airbus-BMW Quantum Computing Challenge, gdzie zaprezentują swoje podejście do poszerzania granic technologii kwantowej w zakresie mobilności.
Komputery kwantowe i zagadka odzyskiwania sekwencji ułożonych w stos
Arne Wulff, doktorant w zespole QAIMS (Quantum-enhanced Artificial Intelligence for sustainable Materials and Structural design in Aerospace), wprowadza obliczenia kwantowe do dziedziny kompozytów. Wraz z zespołem badaczy z dwóch wydziałów TU Delft (Matthew Steinberg, Sebastian Feld i Matthias Möller z Electrical Engineering, Mathematics & Computer Sciences oraz Yinglu Tang i Boyang Chen z Aerospace Engineering), stosuje obliczenia kwantowe konkretnie do tzw. problemu Stacking Sequence Retrieval (SSR).
Problem SSR polega na określeniu optymalnej sekwencji kątów warstw, pod którymi układane są warstwy laminatu kompozytowego. Pozwala to producentom na faktyczną produkcję laminatu na podstawie projektu.
Profesor nadzwyczajny w dziedzinie struktur i materiałów lotniczych, Boyang Chen, jest liderem zespołu QAIMS. Chen: – Obecnie obliczamy SSR za pomocą klasycznych komputerów, stosując algorytmy optymalizacji, takie jak algorytm genetyczny, zasadniczo w celu stopniowego wybierania najlepszego rozwiązania z puli potencjalnych rozwiązań. Komputery kwantowe dają nam możliwość jednoczesnego spojrzenia na wiele innych kątów i stanów kombinacji ułożonych w stos. Podobnie jak w mechanice kwantowej – kot Schrödingera, gdzie kota można uznać za żywego i martwego w tym samym czasie, włókna można uznać za skierowane pod wieloma kątami w tym samym czasie. – Następnym krokiem dla zespołu jest przetestowanie ich metodologii na komputerach kwantowych.
Nadal jesteśmy na wczesnym etapie projektu, ale jesteśmy bardzo podekscytowani jego perspektywami. Wnosi on świeże spojrzenie na stary problem i ma duży potencjał.
Aplikacje
Zespół QAIMS koncentruje się na problemie SSR w projektowaniu i optymalizacji tradycyjnych laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknami. Są to mocne i lekkie materiały, które można stosować w konstrukcjach nośnych, takich jak kadłuby i skrzydła samolotów, łopaty turbin wiatrowych i podwozia samochodów. Zmniejszona masa samolotów i pojazdów samochodowych oszczędza paliwo, a tym samym emisje. Lżejsze turbiny wiatrowe oznaczają bardziej wydajną transformację energii z wiatru na energię elektryczną. Rozwiązanie zagadki odzyskiwania sekwencji układania może zatem przyczynić się do bardziej zrównoważonego lotnictwa i transportu w ogóle, a także do bardziej wydajnej generacji czystej energii. Istnieje jednak wiele innych zastosowań. Chen: – Wierzymy, że wpływ naszych badań wykracza poza konstrukcje nośne. Można je zastosować do dowolnego nowego materiału warstwowego, w którym istotna jest sekwencja układania wyborów projektowych. Pomyśl o materiałach warstwowych w bateriach w celu transformacji energetycznej.-
Konkurs
Potencjał ten dostrzegły również firmy. Zespół QAIMS został niedawno wybrany finalistą w konkursie Airbus-BMW Quantum Computing Challenge, w którym bierze udział wiele zespołów z branży i uniwersytetów, a który koncentruje się na technologiach kwantowych dla zastosowań przemysłowych i mobilności. Zespół bierze udział jako jedyny zespół uniwersytecki w kategorii Golden Application (Pushing the boundaries of quantum tech for mobility). Zwycięzca zostanie ogłoszony do końca roku. Niezależnie od wyniku zespół będzie kontynuował swoją pracę. Chen: – Wspaniale jest pracować z zespołem wielowydziałowym nad rozwiązaniem tej starej zagadki z zupełnie nowej perspektywy.-
