Ova suradnja koristit će kvantno računalstvo kako bi proizvodnju učinila održivijom

On ponedjeljak, njemački proizvođač polimera Covestro najavio je petogodišnji ugovor o suradnji s QC Wareom, proizvođač softvera za kvantno računanje iz San Francisca. Zajedno, tvrtke će raditi na razvoju algoritama za kvantno računanje koji mogu poboljšati Covestro proizvodne procese i materijale.

“Potpuno smo uvjereni da će tehnologija kvantnog računanja dati računalnim kemičarima odlučujući poticaj u budućnosti,” kaže Torsten Heinemann, Covestroov voditelj grupnih inovacija.

Kemijska proizvodnja i znanost o materijalima industrije su u kojima mikroskopske promjene u mikroskopskim sustavima mogu imati veliki utjecaj na makrorazvojni razvoj. Računalni kemičari naporno rade kako bi definirali mikroskopske strukture u, na primjer, solarnoj ploči, sve do razine kretanja elektrona kroz nju. Suptilne promjene u toj infrastrukturi mogu značiti postotak povećanja učinkovitosti koji bi mogao proizvesti megavate više energije iz solarne elektrane svake godine. Slično, razlika u nekoliko molekula u katalizatoru za kemijsku reakciju mogla bi značiti da se reakcija može odvijati na temperaturi nekoliko stupnjeva nižoj – što bi proizvođačima moglo uštedjeti tisuće ili čak milijune dolara troškova.

Ali izazov ove kemije je u tome što se ona mora raditi na kvantnoj razini, gdje je matematika toliko složena da čak i superračunala imaju problema s izračunavanjem brojeva. To stvara kompromis gdje mogućnost pravovremenog dizajna materijala ili procesa znači pojednostavljenje matematičkih modela i približavanje kvantnih sustava. Što je model pojednostavljen, brža ga računala mogu srušiti – ali po cijenu kvalitete ili učinkovitosti proizvodnje.

Tu stupa kvantno računalstvo. Budući da ovi sustavi iskorištavaju prednosti kvantnih procesa za stvaranje računalne snage, oni imaju potencijal za simulaciju kemije bez aproksimacije. "Kvantna kemija je izuzetno prirodna za raditi na kvantnom računalu", objašnjava Rob Parrish, voditelj kemijskih simulacija QC Warea (i bivši student 2015. Forbes Popis ispod 30 znanosti). “A razlog je taj što pokušavate napraviti dvojnika jednog kvantnog sustava u drugom kvantnom sustavu. Tako da je mapa vrlo lijepa.”

Covestro i QC Ware proveli su prošlu godinu u partnerstvu kako bi razvili proof-of-concept za modeliranje vrsta reakcija koje proizvode molekule u industrijskim primjenama. Ovaj rad je rezultirao s dva rada, jedan koji prikazuje nove tehnike koje omogućuju simulaciju koristeći manje kvantnih računalnih resursa, a drugi razvija novi način izračunavanja energetskih gradijenta. Ovi gradijenti se koriste za simulaciju korisnih kemijskih procesa od strane proizvođača.

Rodmah sada, hardver za kvantno računanje koji postoji nije sposoban pokrenuti neke od velikih simulacija za koje su dvije tvrtke zainteresirane, kaže Parrish. Ali suradnja je usmjerena na to da softver i algoritmi budu spremni za današnji dan.

“Inicijativa koju smo zacrtali je: za pet godina, implementirati ovo na najboljem kratkoročnom kvantnom računalu koje postoji u ovom trenutku”, dodaje. "A ovo je stvar koja će imati mnogo pojedinačnih istraživačkih tokova unutar sebe."

Heinemann objašnjava da se kratkoročno, Covestro nada primijeniti ove nove tehnike na svoje kemijske proizvodne procese koji ovise o katalitičkim reakcijama, koje bi trebalo biti lakše simulirati s kvantnim hardverom koji se sada razvija i može se očekivati ​​da će biti dostupan za nekoliko godine. Poboljšanjem ovih vrsta kemije, Covestro se nada da će imati učinkovitiji proces koji proizvodi manje otpada. "To znači više proizvodnje, veću kvalitetu kemijskih reakcija u proizvodima koje proizvodimo i manju potrošnju energije u postrojenjima", dodaje.

Drugi projekt koji će Covestro i QC Ware razmatrati je mogućnost kružne proizvodnje. Tvrtka očekuje da će postojati više zakona koji će na globalnoj razini omogućiti da se polimeri i drugi materijali recikliraju natrag u njihove izvorne komponente, umjesto da se odlažu na odlagališta ili spaljuju. “Također smatramo da kvantno računalstvo ovdje može biti ključni faktor,” kaže Heinemann.

In dugoročno, obje tvrtke vjeruju da će, kako hardver za kvantno računanje bude sazrijevao, moći pokretati sofisticiranije simulacije koje stvaraju nove mogućnosti za proizvodnju proizvoda. Za Covestro, jedna je prilika u području obnovljive energije, gdje kvantno računalstvo može pomoći u dizajniranju boljih solarnih panela i baterijskih sustava. Za QC Ware to znači razvoj kvantnog softvera i algoritama koji se mogu prodati drugim proizvođačima materijala, a također pružaju temelj za druge aplikacije kao što je otkrivanje lijekova.

"Imamo ovaj obostrano koristan aranžman u kojem za njih mogu dobiti na brzinu u kvantnim informacijama i kvantnom računarstvu i mogu interno koristiti tehnologiju za razvoj proizvoda koje prodaju na tržištu", kaže suosnivač i izvršni direktor QC Warea Matt Johnson.

“Mislim da ovo partnerstvo i suradnja s QC Wareom pokazuje kako funkcioniraju istraživanje i razvoj u globalnim mrežama,” dodaje Heineman. "To znači da okupljamo odgovarajuću stručnost i prilagođavamo našu suradnju za postizanje zajedničkog cilja."