Een team onderzoekers van de TU Delft past als eerste ter wereld kwantumcomputers toe om een oud raadsel op te lossen bij het ontwerpen van vezelversterkte composietmaterialen: hoe bepaal je de optimale volgorde van de hoeken waarop de lagen van het materiaal worden samengesteld en gestapeld? Dit bepaalt de mechanische eigenschappen van het materiaal, wat essentieel is voor de toepassing van composieten voor lichtgewicht vliegtuigen, windturbinebladen, auto's of zelfs batterijen.
Het QAIMS-team is door naar de finalerondes van de Airbus-BMW Quantum Computing Challenge waar ze hun aanpak gaan presenteren om 'de grenzen van kwantumtechnologie voor mobiliteit te verleggen'.
Kwantumcomputing en het raadsel van de ‘stacking sequence retrieval’
Arne Wulff, promovendus in het QAIMS-team (Quantum-enhanced Artificial Intelligence for sustainable Materials and Structural design in Aerospace), brengt kwantumcomputing naar het gebied 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 kwantumcomputing specifiek toe op het zogenaamde ‘Stacking Sequence Retrieval’ (SSR) probleem.
Het SSR-probleem is het bepalen van de optimale volgorde van de hoeken waaronder de lagen in een composietlaminaat worden gestapeld. Hiermee kunnen fabrikanten het laminaat ook echt produceren op basis van het ontwerp.
Boyang Chen, universitair hoofddocent Aerospace Structures and Materials, is de teamleider van QAIMS. Chen: "Op dit moment berekenen we de SSR met klassieke computers met behulp van optimalisatiealgoritmen zoals het genetisch algoritme, dat in wezen de beste oplossing selecteert uit een verzameling potentiële oplossingen. Kwantumcomputers geven ons de mogelijkheid om tegelijkertijd naar veel meer hoeken en toestanden van stapelcombinaties te kijken. Net als bij de kat van Schrödinger in de kwantummechanica, waar de kat tegelijkertijd als levend en dood kan worden beschouwd, kunnen de vezels tegelijkertijd naar meerdere hoeken wijzen." De volgende stap voor het team is het daadwerkelijk testen van hun methodologie op kwantumcomputers.
Toepassingen
Het QAIMS-team richt zich op het SSR-probleem in het ontwerp en de optimalisatie van traditionele vezelversterkte composietlaminaten. Dit zijn sterke en lichtgewicht materialen die gebruikt kunnen worden 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 betekenen een efficiëntere energieomzetting van wind naar elektriciteit. Het raadsel van de ‘Stacking Sequence Retrieval’ oplossen kan dus 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 dragende constructies. Het kan worden toegepast op elk nieuw gelaagd materiaal waarbij de stapelvolgorde van ontwerpkeuzes relevant is. Denk bijvoorbeeld aan de gelaagde materialen in batterijen voor de energietransitie."
Competitie
Het potentieel wordt ook gezien door bedrijven. Het QAIMS-team werd onlangs geselecteerd als finalist in de Airbus-BMW Quantum Computing Challenge, een competitie waaraan veel teams uit de industrie en universiteiten deelnemen en die zich richt op kwantumtechnologieën voor industriële toepassingen en mobiliteit. Het team doet als enige universiteitsteam mee in de categorie Golden Application (‘Pushing the boundaries of quantum tech for mobility’). De winnaar wordt aan het eind van het jaar bekendgemaakt. Ongeacht de uitslag gaat het team door met hun werk. Chen: "Het is geweldig om met een multi-facultair team te werken aan het oplossen van deze oude puzzel vanuit een geheel nieuw perspectief."