Αυτή η συνεργασία θα χρησιμοποιήσει τον κβαντικό υπολογισμό για να κάνει την παραγωγή πιο βιώσιμη

Oτη Δευτέρα, ο κατασκευαστής πολυμερών Covestro με έδρα τη Γερμανία ανακοίνωσε μια 5ετή συμφωνία συνεργασίας με την εταιρεία ανάπτυξης λογισμικού κβαντικών υπολογιστών QC Ware με έδρα το Σαν Φρανσίσκο. Μαζί, οι εταιρείες θα εργαστούν για την ανάπτυξη αλγορίθμων κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να βελτιώσουν τις διαδικασίες και τα υλικά κατασκευής της Covestro.

«Είμαστε απόλυτα πεπεισμένοι ότι η τεχνολογία των κβαντικών υπολογιστών θα δώσει στους υπολογιστικούς χημικούς μια αποφασιστική ώθηση στο μέλλον», λέει ο Torsten Heinemann, επικεφαλής της ομάδας καινοτομίας του Covestro.

Η χημική κατασκευή και η επιστήμη των υλικών είναι βιομηχανίες όπου οι μικροσκοπικές αλλαγές στα μικροσκοπικά συστήματα μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην ανάπτυξη μακροσκοπικής κλίμακας. Οι υπολογιστικοί χημικοί εργάζονται σκληρά για να ορίσουν μικροσκοπικές δομές, για παράδειγμα, σε ένα ηλιακό πάνελ, μέχρι το επίπεδο του τρόπου με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα από αυτό. Οι ανεπαίσθητες αλλαγές σε αυτή την υποδομή μπορεί να σημαίνουν ποσοστιαία κέρδη στην απόδοση που θα μπορούσαν να αποδώσουν μεγαβάτ περισσότερη ισχύ από μια μονάδα ηλιακής ενέργειας κάθε χρόνο. Ομοίως, η διαφορά μερικών μορίων σε έναν καταλύτη για μια χημική αντίδραση θα μπορούσε να σημαίνει ότι η αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα σε θερμοκρασία μερικούς βαθμούς χαμηλότερη - κάτι που θα μπορούσε να εξοικονομήσει χιλιάδες ή και εκατομμύρια δολάρια σε κόστος στους κατασκευαστές.

Αλλά η πρόκληση αυτής της χημείας είναι ότι πρέπει να γίνει σε κβαντικό επίπεδο, όπου τα μαθηματικά είναι τόσο πολύπλοκα που ακόμη και οι υπερυπολογιστές δυσκολεύονται να τσακίσουν τους αριθμούς. Αυτό δημιουργεί ένα συμβιβασμό όπου η δυνατότητα έγκαιρου σχεδιασμού υλικών ή διαδικασιών σημαίνει απλοποίηση μαθηματικών μοντέλων και προσέγγιση κβαντικών συστημάτων. Όσο πιο απλοποιημένο είναι το μοντέλο, τόσο πιο γρήγοροι υπολογιστές μπορούν να το τσακίσουν – αλλά με κόστος την ποιότητα ή την αποτελεσματικότητα της κατασκευής.

Εκεί μπαίνει ο κβαντικός υπολογισμός. Επειδή αυτά τα συστήματα εκμεταλλεύονται τις κβαντικές διαδικασίες για να δημιουργήσουν υπολογιστική ισχύ, έχουν τη δυνατότητα να προσομοιώσουν τη χημεία χωρίς προσέγγιση. «Η κβαντική χημεία είναι εξαιρετικά φυσικό να γίνεται σε έναν κβαντικό υπολογιστή», εξηγεί ο Rob Parrish, επικεφαλής προσομοιώσεων χημείας της QC Ware (και απόφοιτος του 2015 Forbes Κατάλογος Under 30 Science). «Και ο λόγος είναι ότι προσπαθείτε να κάνετε ένα λάστιχο ενός κβαντικού συστήματος σε ένα άλλο κβαντικό σύστημα. Οπότε χαρτογραφεί πολύ όμορφα.”

Η Covestro και η QC Ware πέρασαν τον περασμένο χρόνο σε μια συνεργασία για να αναπτύξουν μια απόδειξη της ιδέας για τη μοντελοποίηση των τύπων αντιδράσεων που παράγουν μόρια σε βιομηχανικές εφαρμογές. Αυτή η εργασία οδήγησε σε δύο έγγραφα, το ένα που δείχνει νέες τεχνικές που επιτρέπουν την προσομοίωση χρησιμοποιώντας λιγότερους κβαντικούς υπολογιστικούς πόρους και το άλλο αναπτύσσει έναν νέο τρόπο υπολογισμού των ενεργειακών κλίσεων. Αυτές οι κλίσεις χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση χρήσιμων χημικών διεργασιών από τους κατασκευαστές.

Rαμέσως τώρα, το υλικό κβαντικών υπολογιστών που υπάρχει δεν είναι ικανό να εκτελέσει μερικές από τις μεγάλες προσομοιώσεις για τις οποίες ενδιαφέρονται οι δύο εταιρείες, λέει ο Parrish. Αλλά η συνεργασία έχει ως στόχο να έχει το λογισμικό και τους αλγόριθμους έτοιμα για την ημέρα που είναι.

«Η πρωτοβουλία που έχουμε ξεκινήσει να το κάνουμε αυτό είναι: σε πέντε χρόνια, να το αναπτύξουμε στον καλύτερο βραχυπρόθεσμο κβαντικό υπολογιστή που υπάρχει αυτή τη στιγμή», προσθέτει. «Και αυτό είναι ένα πράγμα που θα έχει πολλά μεμονωμένα ερευνητικά ρεύματα μέσα του».

Ο Heinemann εξηγεί ότι βραχυπρόθεσμα, η Covestro ελπίζει να εφαρμόσει αυτές τις νέες τεχνικές στις διαδικασίες χημικής παραγωγής που εξαρτώνται από καταλυτικές αντιδράσεις, οι οποίες θα πρέπει να είναι ευκολότερο να προσομοιωθούν με κβαντικό υλικό που αναπτύσσεται τώρα και αναμένεται να είναι διαθέσιμο σε λίγα λεπτά χρόνια. Βελτιώνοντας αυτούς τους τύπους χημείας, η Covestro ελπίζει να έχει μια πιο αποτελεσματική διαδικασία που παράγει λιγότερα απόβλητα. «Αυτό σημαίνει περισσότερη παραγωγή, υψηλότερη ποιότητα των χημικών αντιδράσεων στα προϊόντα που παράγουμε και λιγότερη κατανάλωση ενέργειας στα φυτά», προσθέτει.

Ένα δεύτερο έργο που θα εξετάσουν οι Covestro και QC Ware είναι η δυνατότητα κυκλικότητας της κατασκευής. Η εταιρεία αναμένει ότι θα υπάρξει περισσότερη νομοθεσία παγκοσμίως προσανατολισμένη στο να καταστεί δυνατή η ανακύκλωση πολυμερών και άλλων υλικών πίσω στα αρχικά τους συστατικά, αντί να απορρίπτονται σε χωματερές ή να καίγονται. «Πιστεύουμε επίσης ότι ο κβαντικός υπολογισμός εδώ μπορεί να είναι ένας βασικός παράγοντας», λέει ο Heinemann.

Iμακροπρόθεσμα, και οι δύο εταιρείες πιστεύουν ότι καθώς ωριμάζει το υλικό κβαντικών υπολογιστών, θα είναι σε θέση να οδηγεί πιο εξελιγμένες προσομοιώσεις που δημιουργούν νέες δυνατότητες για την κατασκευή προϊόντων. Για την Covestro, μια ευκαιρία είναι στη σφαίρα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπου ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό καλύτερων ηλιακών συλλεκτών και συστημάτων μπαταριών. Για την QC Ware, αυτό σημαίνει ανάπτυξη κβαντικού λογισμικού και αλγορίθμων που μπορούν να πωληθούν σε άλλους κατασκευαστές υλικών και επίσης να παρέχουν τη βάση για άλλες εφαρμογές, όπως η ανακάλυψη φαρμάκων.

«Έχουμε αυτή την αμοιβαία επωφελή συμφωνία όπου γι 'αυτούς μπορούν να ενημερωθούν για την κβαντική πληροφορία και τον κβαντικό υπολογισμό και μπορούν να χρησιμοποιήσουν εσωτερικά την τεχνολογία για να αναπτύξουν προϊόντα που πωλούν στην αγορά», λέει ο συνιδρυτής και Διευθύνων Σύμβουλος της QC Ware. Ματ Τζόνσον.

«Πιστεύω ότι αυτή η συνεργασία και η συνεργασία με την QC Ware δείχνει πώς λειτουργεί η έρευνα και η ανάπτυξη σε παγκόσμια δίκτυα», προσθέτει ο Heineman. «Αυτό σημαίνει ότι συγκεντρώνουμε τη σωστή τεχνογνωσία και προσαρμόζουμε τις συνεργασίες μας για να οδηγήσουμε τον κοινό σκοπό».