2026年5月5日——除了直接的短期健康风险外，紫外线辐射还会带来间接危害：它会腐蚀暴露物体（例如飞机和桥梁）的表面涂层，并侵蚀涂层材料。其背后的分子过程（聚合物降解）极为复杂。因此，由弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer IAF）协调的一个联合团队，正在德国联邦研究与技术航天部（BMFTR）资助的QPolyDeg项目框架内，致力于开发用于模拟聚合物降解的新型量子算法。量子化学计算旨在为工业应用提供更耐用的涂层。

汽车、桥梁和飞机有什么共同点？它们大部分时间都暴露在露天环境中，并受到太阳紫外线辐射的影响。飞机尤其容易受到这种辐射的危害，因为在高海拔地区紫外线辐射非常强烈。紫外线辐射会攻击表面涂层。特别是在聚合物中——这是许多涂层的组成部分——吸收紫外线辐射会导致化学键断裂、链断裂和氧化。

在宏观层面上，此类过程可能导致涂层泛黄、失去光泽和表面脆化，这意味着涂层下方的区域也可能受到影响。这导致高昂的测试和维护成本以及安全风险。

为了更好的涂层：通过量子计算防止聚合物降解

为了更好地理解和抑制聚合物的分解，必须研究各个降解过程。但这很复杂，因为量子力学纠缠的电子态在聚合物降解中起着关键作用，这就是经典计算方法常常达到其极限的原因。

在2026年4月1日启动的“用于模拟紫外线诱导聚合物降解的量子计算”（QPolyDeg）联合项目中，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer IAF）的研究人员正与凯捷德国有限公司（Capgemini Germany GmbH）、HQS量子模拟有限公司（HQS Quantum Simulations GmbH）以及弗劳恩霍夫材料力学研究所（Fraunhofer IWM）合作，并联合空中客车公司（Airbus）和阿克苏诺贝尔公司（Akzo Nobel N.V.）作为关联合作伙伴，研究使用量子算法来计算聚合物降解。

德国联邦研究与技术航天部（BMFTR）将在三年内为QPolyDeg项目提供资助，作为“面向应用的量子信息学”资助计划的一部分。项目总预算为290万欧元。

量子算法加速量子化学计算

来自弗劳恩霍夫IAF的项目负责人沃尔特·哈恩（Walter Hahn）（音译）博士强调：“量子算法有望显著加速量子化学计算。我们在QPolyDeg项目中的目标是开发用于模拟紫外线辐射引起的聚合物降解的量子算法，并以工业相关的飞机涂层为例进行验证。我们预计，航空航天、汽车和建筑行业都将从经过量子算法优化的涂层中受益匪浅。这就是我们与这些领域的领先欧洲公司密切合作的原因。”

来自凯捷德国的弗朗西斯卡·沃尔夫（Franziska Wolff）（音译）博士表示：“在QPolyDeg项目中，凯捷量子团队将新兴量子技术与实际商业影响联系起来。通过为当今的实际系统开发面向应用的工作流程，我们帮助确保一旦量子硬件准备就绪，就能快速、战略性地采用这项技术。”

HQS量子模拟公司的首席执行官兼联合创始人迈克尔·马尔塔勒（Michael Marthaler）（音译）博士解释道：“HQS致力于光谱学软件研究，因此QPolyDeg项目对我们来说非常契合。紫外线辐射对聚合物涂层的影响是量子模拟工具一个相关且尚未充分探索的领域，我们很高兴能在这个项目中与其他合作伙伴一起贡献我们的经验。”

来自弗劳恩霍夫IWM的丹尼尔·厄本（Daniel Urban）（音译）博士强调：“优化功能材料的性能需要理解跨多个尺度的结构-组成-性能关系——从原子级别的晶体结构和缺陷，到材料微观结构，再到真实操作条件下宏观组件的行为。为此，量子计算提供了有前景的创新方法，可以显著增强分子和材料原子级模拟的能力。”

聚合物降解分析、算法开发、工业应用

作为项目的一部分，联合团队将承担所有必要步骤，以利用量子计算改进表面涂层：从分析紫外线辐射影响下的聚合物降解过程，到开发用于模拟优化涂层的合适量子算法，再到研究这些算法的工业应用和可扩展性。

凯捷德国将研究合适的嵌入策略，并模拟聚合物降解的潜在类型，开发一种机器学习方法来预测聚合物降解路径。随后，HQS将应用活性空间方法，并使用量子化学方法分析基态和激发态与纠缠类型的关系。

弗劳恩霍夫IAF和IWM研究所将使用各种量子算法计算活性空间哈密顿算符的基态和激发态，并在此过程中进一步开发这些算法。由量子算法确定的状态将被凯捷德国和HQS重新用于各自的工作流程中。

弗劳恩霍夫IWM将专注于那些可在现代量子硬件上执行的有前景的非变分量子算法，并研究这些算法对当前问题的基本适用性。弗劳恩霍夫IAF将致力于进一步开发早期容错和容错量子算法，特别是关于所需初始态的制备。具体来说，重点在于这些算法对不同问题规模的基本适用性、扩展性和收敛行为等问题。