En av de viktigaste klasserna av problem som alla forskare och matematiker strävar efter att lösa, på grund av deras relevans i både vetenskap och verkliga livet, är optimeringsproblem. Från esoteriska datavetenskapspussel till de mer realistiska problemen med fordonsdirigering, investeringsportföljdesign, och digital marknadsföring - kärnan i det hela är ett optimeringsproblem som måste lösas.

En tilltalande teknik som ofta används för att lösa sådana problem är tekniken 'kvantglödgning, "ett ramverk som hanterar optimeringsproblem genom att använda" kvanttunnel " - ett kvantfysiskt fenomen - för att välja en optimal lösning bland flera kandidatlösningar. Ironiskt, det är i kvantmekaniska problem där tekniken har funnit en ganska knapp tillämpning. "Kemister och materialvetare, som hanterar kvantproblem, är för det mesta obekanta med kvantglödgning och tänker därför inte använda det. Att hitta tillämpningar av denna teknik är därför viktigt för att öka dess erkännande som en användbar metod inom denna domän, "säger professor Ryo Maezono från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), som specialiserat sig på att tillämpa informationsvetenskap inom materialvetenskap.

För detta ändamål, Professor Maezono utforskade, i en ny studie publicerad i Vetenskapliga rapporter , fenomenet jonisk diffusion i fasta ämnen, ett ämne av stort intresse för både ren och tillämpad materialvetenskap, tillsammans med sina kollegor, Keishu Utimula, en doktorsexamen examen i materialvetenskap från JAIST (2020) och huvudförfattare till studien, Prof. Kenta Hongo, och prof. Kousuke Nakano, genom att tillämpa ett ramverk som kombinerade kvantglödgning med ab initio -beräkningar, en metod som beräknar fysikaliska egenskaper hos material utan att förlita sig på experimentella data. "Medan nuvarande ab initio -tekniker kan ge information om jonernas diffusionsvägsnät, det är svårt att kartlägga den informationen till användbar kunskap om diffusionskoefficienten, en praktiskt relevant mängd, "förklarar prof. Maezono.

Specifikt, laget letade efter att beräkna korrelationsfaktorn, 'en nyckelmängd i diffusionsprocessen, och insåg att detta kunde göras genom att utforma processen som ett routingsoptimeringsproblem, vilket är exakt vad kvantglödgningsramverket är utformat för att lösa! Följaktligen, forskare beräknade korrelationsfaktorn för ett enkelt tvådimensionellt tetragonalt gitter, för vilka de redan visste det exakta resultatet, med hjälp av kvantglödgning och en mängd andra beräkningstekniker och jämförde deras resultat.

Även om de utvärderade korrelationsfaktorerna överensstämde med det analytiska resultatet för alla använda metoder, alla tillvägagångssätt led av begränsningar på grund av orealistiska beräkningskostnader för stora systemstorlekar. Dock, forskare noterade att beräkningskostnaden för kvantglödgning växte mycket långsammare linjärt jämfört med andra tekniker, som visade snabb exponentiell tillväxt.

Professor Maezono är upphetsad över fyndet och är övertygad om att, med tillräckliga tekniska framsteg, kvantglödgning skulle presentera sig som det bästa möjliga valet för att lösa problem inom materialvetenskap. "Problemet med jondiffusion i fasta ämnen är av central betydelse för att bygga mindre batterier med högre kapacitet eller förbättra stålets hållfasthet. Vårt arbete visar att kvantglödgning är effektivt för att lösa detta problem och kan utöka omfattningen av materialvetenskap som helhet, "avslutar han.