Táto spolupráca bude využívať kvantovú výpočtovú techniku, aby bola výroba udržateľnejšia

On pondelok, Nemecký výrobca polymérov Covestro oznámil 5-ročnú dohodu o spolupráci s vývojárom softvéru pre kvantovú výpočtovú techniku ​​QC Ware so sídlom v San Franciscu. Spoločnosti budú spoločne pracovať na vývoji kvantových výpočtových algoritmov, ktoré môžu zlepšiť výrobné procesy a materiály spoločnosti Covestro.

„Sme plne presvedčení, že technológia kvantových výpočtov poskytne počítačovým chemikom v budúcnosti rozhodujúci impulz,“ hovorí Torsten Heinemann, vedúci oddelenia inovácií skupiny Covestro.

Chemická výroba a veda o materiáloch sú odvetvia, kde mikroskopické zmeny v mikroskopických systémoch môžu mať veľký vplyv na rozvoj na makroúrovni. Počítačoví chemici tvrdo pracujú na definovaní mikroskopických štruktúr, napríklad v solárnom paneli, až na úroveň, ako sa ním pohybujú elektróny. Jemné zmeny v tejto infraštruktúre môžu znamenať percentuálne zvýšenie účinnosti, ktoré by mohlo každoročne priniesť o megawatty viac energie zo solárnej elektrárne. Podobne by rozdiel v niekoľkých molekulách v katalyzátore pre chemickú reakciu mohol znamenať, že reakcia môže prebiehať pri teplote o niekoľko stupňov nižšej – čo by mohlo výrobcom ušetriť tisíce alebo dokonca milióny dolárov na nákladoch.

Výzvou tejto chémie je však to, že sa musí robiť na kvantovej úrovni, kde je matematika taká zložitá, že dokonca aj superpočítače majú problém s číslami. To vytvára kompromis, kde schopnosť navrhnúť materiály alebo procesy včas znamená zjednodušiť matematické modely a priblížiť kvantové systémy. Čím je model zjednodušený, tým rýchlejšie ho počítače dokážu rozdrviť – ale za cenu kvality alebo efektívnosti výroby.

Práve tam vstupuje kvantová výpočtová technika. Pretože tieto systémy využívajú kvantové procesy na vytváranie výpočtovej sily, majú potenciál simulovať chémiu bez aproximácie. „Kvantová chémia je extrémne prirodzené robiť na kvantovom počítači,“ vysvetľuje Rob Parrish, vedúci chemických simulácií QC Ware (a absolvent ročníka 2015 Forbes Vedecký zoznam do 30 rokov). "A dôvodom je, že sa snažíte vytvoriť dvojníka jedného kvantového systému v inom kvantovom systéme." Takže to mapuje veľmi pekne."

Covestro a QC Ware strávili posledný rok v partnerstve, aby vyvinuli proof-of-concept pre modelovanie typov reakcií, ktoré produkujú molekuly v priemyselných aplikáciách. Táto práca viedla k dvom dokumentom, z ktorých jeden ukazuje nové techniky, ktoré umožňujú simuláciu s použitím menšieho množstva kvantových výpočtových zdrojov, a druhý vyvíja nový spôsob výpočtu energetických gradientov. Tieto gradienty používajú výrobcovia na simuláciu užitočných chemických procesov.

Rhneď teraz„Kvantový výpočtový hardvér, ktorý existuje, nie je schopný spustiť niektoré z veľkých simulácií, o ktoré sa tieto dve spoločnosti zaujímajú, hovorí Parrish. Spolupráca je však zameraná na to, aby bol softvér a algoritmy pripravené na daný deň.

„Iniciatíva, ktorú sme si zaumienili urobiť, je: za päť rokov to nasadiť na najlepšom krátkodobom kvantovom počítači, ktorý v súčasnosti existuje,“ dodáva. "A toto je vec, ktorá bude mať v sebe veľa individuálnych výskumných prúdov."

Heinemann vysvetľuje, že Covestro dúfa, že v krátkodobom horizonte použije tieto nové techniky na svoje chemické výrobné procesy, ktoré závisia od katalytických reakcií, ktoré by sa mali ľahšie simulovať pomocou kvantového hardvéru, ktorý sa teraz vyvíja a dá sa očakávať, že bude dostupný v priebehu niekoľkých rokov. rokov. Zlepšením týchto typov chémie Covestro dúfa, že bude mať efektívnejší proces, ktorý produkuje menej odpadu. „To znamená vyšší výkon, vyššiu kvalitu chemických reakcií v produktoch, ktoré vyrábame, a nižšiu spotrebu energie v závodoch,“ dodáva.

Druhým projektom, ktorým sa Covestro a QC Ware budú zaoberať, je možnosť cirkulárnosti výroby. Spoločnosť očakáva, že bude existovať viac globálnej legislatívy zameranej na to, aby bolo možné polyméry a iné materiály recyklovať späť na ich pôvodné zložky, a nie ich vyhadzovať na skládky alebo spaľovať. „Tiež si myslíme, že kvantová výpočtová technika tu môže predstavovať kľúčový faktor,“ hovorí Heinemann.

In dlhodobejšom horizonte, obe spoločnosti veria, že ako kvantový výpočtový hardvér dozrieva, bude schopný riadiť sofistikovanejšie simulácie, ktoré vytvárajú nové možnosti pre výrobu produktov. Pre Covestra je jedna príležitosť v oblasti obnoviteľnej energie, kde kvantové výpočty môžu pomôcť navrhnúť lepšie solárne panely a batériové systémy. Pre QC Ware to znamená vývoj kvantového softvéru a algoritmov, ktoré možno predávať iným výrobcom materiálov, a tiež poskytnúť základ pre ďalšie aplikácie, ako je napríklad objavovanie liekov.

„Máme túto vzájomne výhodnú dohodu, v ktorej sa môžu zdokonaliť v kvantových informáciách a kvantových výpočtoch a môžu interne využívať technológiu na vývoj produktov, ktoré predávajú na trhu,“ hovorí spoluzakladateľ a generálny riaditeľ QC Ware. Matt Johnson.

„Myslím si, že toto partnerstvo a spolupráca s QC Ware ukazuje, ako funguje výskum a vývoj v globálnych sieťach,“ dodáva Heineman. "To znamená, že spájame správne odborné znalosti a prispôsobujeme našu spoluprácu tak, aby sme dosiahli spoločný účel."