To sodelovanje bo uporabljalo kvantno računalništvo, da bo proizvodnja bolj trajnostna

On ponedeljek, Nemški proizvajalec polimerov Covestro je objavil 5-letno pogodbo o sodelovanju z razvijalcem programske opreme za kvantno računalništvo QC Ware iz San Francisca. Podjetji si bodo skupaj prizadevali razviti algoritme kvantnega računalništva, ki lahko izboljšajo Covestrove proizvodne procese in materiale.

»Popolnoma smo prepričani, da bo tehnologija kvantnega računalništva računalniškim kemikom v prihodnosti dala odločilen zagon,« pravi Torsten Heinemann, vodja skupinskih inovacij pri Covestru.

Kemična proizvodnja in znanost o materialih sta panogi, kjer lahko mikroskopske spremembe v mikroskopskih sistemih močno vplivajo na makrorazvoj. Računalniški kemiki trdo delajo, da bi definirali mikroskopske strukture v, na primer, sončni plošči, vse do stopnje, kako se elektroni premikajo skozi njo. Subtilne spremembe v tej infrastrukturi lahko pomenijo odstotek povečanja učinkovitosti, ki bi lahko vsako leto prinesla megavatov več energije iz sončne elektrarne. Podobno bi lahko razlika v nekaj molekulah v katalizatorju za kemično reakcijo pomenila, da lahko reakcija poteka pri nekaj stopinj nižji temperaturi – kar bi lahko proizvajalcem prihranilo na tisoče ali celo milijone dolarjev stroškov.

Toda izziv te kemije je, da jo je treba narediti na kvantni ravni, kjer je matematika tako zapletena, da imajo celo superračunalniki težave z drobljenjem številk. To ustvarja kompromis, kjer možnost pravočasnega načrtovanja materialov ali procesov pomeni poenostavitev matematičnih modelov in približevanje kvantnih sistemov. Bolj kot je model poenostavljen, hitrejši računalniki ga lahko zdrobijo – vendar za ceno kakovosti proizvodnje ali učinkovitosti.

Tu vstopi kvantno računalništvo. Ker ti sistemi izkoriščajo kvantne procese za ustvarjanje računalniške moči, imajo potencial za simulacijo kemije brez približevanja. »Kvantno kemijo je izjemno naravno izvajati na kvantnem računalniku,« pojasnjuje Rob Parrish, vodja kemijskih simulacij pri QC Ware (in študent 2015 Forbes Seznam znanosti pod 30 let). »In razlog je v tem, da poskušate narediti dvojnika enega kvantnega sistema v drugem kvantnem sistemu. Tako da je zemljevid zelo lep."

Covestro in QC Ware sta preteklo leto preživela v partnerstvu, da bi razvila dokazni koncept za modeliranje vrst reakcij, ki proizvajajo molekule v industrijskih aplikacijah. Rezultat tega dela je bil dva prispevka, eden prikazuje nove tehnike, ki omogočajo simulacijo z uporabo manj kvantnih računalniških virov, drugi pa razvija nov način za izračun energijskih gradientov. Ti gradienti se proizvajalci uporabljajo za simulacijo uporabnih kemičnih procesov.

Rtakoj zdaj, strojna oprema za kvantno računalništvo, ki obstaja, ni sposobna izvajati nekaterih velikih simulacij, ki jih zanimata obe podjetji, pravi Parrish. Toda sodelovanje je namenjeno pripravi programske opreme in algoritmov za ta dan.

"Pobuda, ki smo si jo zadali, je: čez pet let to umestiti na najboljši kratkoročni kvantni računalnik, ki je trenutno tam," dodaja. "In to je stvar, ki bo imela v sebi veliko posameznih raziskovalnih tokov."

Heinemann pojasnjuje, da Covestro kratkoročno upa, da bo te nove tehnike uporabil v svojih kemičnih proizvodnih procesih, ki so odvisni od katalitičnih reakcij, ki bi jih bilo lažje simulirati s kvantno strojno opremo, ki se razvija zdaj in se lahko pričakuje, da bo na voljo v nekaj dneh. let. Z izboljšanjem teh vrst kemije Covestro upa, da bo imel učinkovitejši proces, ki proizvaja manj odpadkov. "To pomeni več proizvodnje, višjo kakovost kemičnih reakcij v izdelkih, ki jih proizvajamo, in manjšo porabo energije v obratih," dodaja.

Drugi projekt, ki ga bosta obravnavala Covestro in QC Ware, je možnost krožne proizvodnje. Podjetje pričakuje, da bo več zakonodaje, ki bo globalno usmerjena v omogočanje, da se polimeri in drugi materiali reciklirajo nazaj v njihove prvotne sestavne dele, namesto da bi jih odlagali na odlagališča ali sežigali. "Prav tako menimo, da je kvantno računalništvo tukaj lahko ključni dejavnik," pravi Heinemann.

In dolgoročno, obe podjetji verjameta, da bo z dozorevanjem strojne opreme za kvantno računalništvo lahko poganjalo bolj izpopolnjene simulacije, ki ustvarjajo nove možnosti za proizvodnjo izdelkov. Za Covestro je ena priložnost na področju obnovljive energije, kjer lahko kvantno računalništvo pomaga pri oblikovanju boljših sončnih kolektorjev in baterijskih sistemov. Za QC Ware to pomeni razvijanje kvantne programske opreme in algoritmov, ki jih je mogoče prodati drugim proizvajalcem materialov, in zagotavlja osnovo za druge aplikacije, kot je odkrivanje zdravil.

"Imamo to vzajemno koristno ureditev, kjer se lahko zanje seznanijo s kvantnimi informacijami in kvantnim računalništvom ter lahko interno uporabljajo tehnologijo za razvoj izdelkov, ki jih prodajajo na trgu," pravi soustanovitelj in izvršni direktor QC Ware. Matt Johnson.

"Mislim, da to partnerstvo in sodelovanje s QC Ware prikazujeta, kako delujejo raziskave in razvoj v globalnih omrežjih," dodaja Heineman. "To pomeni, da združujemo pravo strokovno znanje in izkušnje in prilagajamo naše sodelovanje za doseganje skupnega namena."