Quantum Computing in Materials Engineering: The Economic Impact

Thumbnail Image

Files

Konga_Aki_2025.pdf (1 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-03-21

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

29

Series

Abstract

Quantum computing (QC) is based on quantum mechanical phenomena such as superposition and entanglement. QC allows the development of a new computational paradigm with the potential to provide massive advances in computational power to achieve many complex computational tasks across a wide range of industries. Materials engineering is among the first use cases of QC where a commercial advantage over classical computing could be achieved. In addition to simulating physical material properties, combinatorial optimization problems have shown promise, for example, in metamaterial design. Nevertheless, QC is still an emerging technology with a high degree of uncertainty. While technical possibilities and challenges of QC have been widely researched, the market potential of QC remains unclear. This thesis aims to determine the potential economic and sustainability value of applying QC in industries related to materials engineering and timelines for achieving this value. In addition, this thesis aims to evaluate the challenges in the industrial adoption of QC. In the longer-term perspective, the focus in this thesis is particularly on the viewpoint of Finland. This work is conducted as a literature review. The central result of this thesis is that QC is expected to provide value in materials engineering already in the noisy intermediate-scale quantum (NISQ) era. This value can be achieved through simulation, optimization, or machine learning (ML) methods. Industries relevant to materials engineering and likely to be early adopters of QC include chemistry, healthcare, automotive, and logistics. The market size for QC may reach several billions of United States dollars by 2030. By 2030, some estimates suggest that the annual value of QC for end users could reach up to USD 10 billion, although these projections are based on optimistic assumptions about the development of quantum computers. Regardless, a significant portion of the value for end users is expected to benefit industries related to materials engineering. In addition, potential sustainability impacts of QC in materials engineering include more efficient battery design, lower emission materials, and supply chains optimized for resource efficiency. These outcomes could be significant for the economy of Finland from both the provider and adopter perspectives within this decade. Therefore, further investments in Finland are recommended for collaboration between academia and industry to research and develop QC applications in materials engineering. However, developing QC hardware and software stacks also remains critical.

Kvanttilaskenta perustuu kvanttimekaanisiin ilmiöihin, joita ovat muun muassa superpositio ja lomittuminen. Tämä mahdollistaa uuden laskennallisen paradigman, joka voi tarjota valtavia edistysaskelia monimutkaisten laskennallisten ongelmien ratkaisemisessa useilla toimialoilla. Materiaalisuunnittelun ennakoidaan olevan yksi kvanttilaskennan ensimmäisistä sovelluskohteista, missä voidaan saavuttaa kaupallista etua klassiseen laskentaan nähden. Fysikaalisten materiaalien ominaisuuksien simuloimisen lisäksi kombinatoriset optimointiongelmat esimerkiksi metamateriaalien suunnittelussa ovat osoittautuneet lupaaviksi. Kvanttilaskenta on kuitenkin kehittyvä teknologia, mihin liittyy paljon epävarmuutta. Kvanttilaskennan teknisiä mahdollisuuksia ja rajoitteita on tutkittu laajalti, mutta markkinamahdollisuuksista ei ole muodostettu kattavaa käsitystä. Tämä tutkimus pyrkii selvittämään kvanttilaskennan taloudellisen ja ympäristöllisen arvon materiaalisuunnitteluun liittyvillä toimialoilla sekä aikajänteen, jolla arvoa odotetaan syntyvän. Lisäksi tutkimus pyrkii arvioimaan haasteita kvanttilaskennan käyttöönotossa yritysmaailmassa. Pidemmän aikavälin tarkastelussa keskitytään etenkin Suomen näkökulmaan. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Tämän tutkimuksen keskeinen tulos on, että kvanttilaskennan odotetaan tuovan kaupallista arvoa jo kohinaisten ja keskikokoisten kvanttitietokoneiden aikakaudella (Noisy Intermediate Scale Quantum, NISQ -aikakausi). Arvoa voidaan saavuttaa sovelluksilla simuloinnin, optimoinnin tai koneoppimisen menetelmiin. Toimialoja, jotka ovat oleellisia materiaalisuunnittelun kannalta ja joissa kvanttilaskentaa todennäköisesti hyödynnetään aikaisin, ovat muun muassa kemianteollisuus, terveysala sekä liikenne- ja logistiikka-ala. Kvanttilaskennan markkinan koko voi kasvaa useaan miljardiin Yhdysvaltain dollariin ennen vuotta 2030. Vuosittainen arvo, jonka kvanttilaskennan odotetaan tuovan loppukäyttäjille vuoteen 2030 mennessä voi joidenkin arvioiden mukaan kasvaa jopa kymmeneen miljardiin Yhdysvaltain dollariin, mutta arviot perustuvat optimistisiin odotuksiin kvanttitietokoneiden kehityksestä. Loppukäyttäjille syntyvästä arvosta merkittävän osan odotetaan kohdistuvan materiaalisuunnitteluun liittyviin toimialoihin. Lisäksi ympäristöllisiä vaikutuksia tullaan mahdollisesti näkemään muun muassa akkujen suunnittelussa, vähemmän saastuttavissa materiaaleissa sekä resurssitehokkaammassa toimitusketjujen hallinnassa. Nämä vaikutukset saattavat olla keskeisiä Suomen taloudelle sekä tarjoajien että hyödyntäjien näkökulmasta jo tämän vuosikymmenen kuluessa. Tästä johtuen Suomessa on suositeltavaa jatkaa investoimista akatemian ja teollisuuden väliseen yhteistyöhön kvanttilaskennan sovellusten tutkimiseen ja kehittämiseen materiaalisuunnitteluun, vaikkakin laitteisto- ja ohjelmistopinojen kehitys on edelleen keskeistä.

Description

Supervisor

Paraoanu, Sorin

Thesis advisor

Raasakka, Matti

Keywords

economic impact, materials science, materials engineering, quantum computing, sustainability

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202504153190

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI