Această colaborare va folosi calculul cuantic pentru a face producția mai durabilă

On luni, producătorul german de polimeri Covestro a anunțat un acord de colaborare pe 5 ani cu dezvoltatorul de software de calcul cuantic din San Francisco, QC Ware. Împreună, companiile vor lucra pentru a dezvolta algoritmi de calcul cuantic care pot îmbunătăți procesele și materialele de producție Covestro.

„Suntem pe deplin convinși că tehnologia calculului cuantic va oferi chimiștilor computaționali un impuls decisiv în viitor”, spune Torsten Heinemann, șeful grupului de inovare al Covestro.

Producția chimică și știința materialelor sunt industrii în care schimbările microscopice în sistemele microscopice pot avea un impact major asupra dezvoltării la scară macroscopică. Chimiștii de calcul lucrează din greu pentru a defini structurile microscopice într-un panou solar, de exemplu, până la nivelul modului în care electronii se mișcă prin el. Modificările subtile ale acelei infrastructuri pot însemna creșteri procentuale în eficiență care ar putea produce megawați mai multă putere de la o centrală de energie solară în fiecare an. În mod similar, diferența de câteva molecule într-un catalizator pentru o reacție chimică ar putea însemna că reacția poate avea loc la o temperatură cu câteva grade mai mică, ceea ce ar putea economisi producătorilor mii sau chiar milioane de dolari în costuri.

Dar provocarea acestei chimie este că trebuie făcută la nivel cuantic, unde matematica este atât de complexă încât chiar și supercalculatoarele întâmpină dificultăți în calculul numerelor. Acest lucru creează un compromis în care posibilitatea de a proiecta materiale sau procese în timp util înseamnă simplificarea modelelor matematice și aproximarea sistemelor cuantice. Cu cât modelul este mai simplificat, cu atât computerele mai rapide îl pot strica, dar cu un cost al calității sau eficienței producției.

Aici intervine calculul cuantic. Deoarece aceste sisteme profită de procesele cuantice pentru a crea putere de calcul, ele dețin potențialul de a simula chimia fără aproximare. „Chimia cuantică este extrem de naturală de făcut pe un computer cuantic”, explică Rob Parrish, șeful de simulări de chimie la QC Ware (și absolvent al cursului 2015). Forbes Lista de științe sub 30). „Și motivul este că încerci să faci un doppelganger al unui sistem cuantic într-un alt sistem cuantic. Deci se cartografiază foarte bine.”

Covestro și QC Ware au petrecut anul trecut într-un parteneriat pentru a dezvolta o dovadă de concept pentru modelarea tipurilor de reacții care produc molecule în aplicații industriale. Această lucrare a dus la două lucrări, una care prezintă noi tehnici care permit simularea folosind mai puține resurse de calcul cuantic, iar cealaltă dezvoltă o nouă modalitate de a calcula gradienții de energie. Acești gradienți sunt utilizați pentru a simula procese chimice utile de către producători.

Rchiar acum, hardware-ul de calcul cuantic care există nu este capabil să ruleze unele dintre marile simulări de care sunt interesate cele două companii, spune Parrish. Dar colaborarea vizează ca software-ul și algoritmii să fie pregătiți pentru ziua în care este.

„Inițiativa pe care ne-am propus să facem asta este: în cinci ani, implementăm acest lucru pe cel mai bun computer cuantic pe termen scurt care există în acest moment”, adaugă el. „Și acesta este un lucru care va avea multe fluxuri individuale de cercetare în el.”

Heinemann explică că, pe termen scurt, Covestro speră să aplice aceste noi tehnici la procesele sale de fabricație chimică care depind de reacțiile catalitice, care ar trebui să fie mai ușor de simulat cu hardware-ul cuantic care este dezvoltat acum și se poate aștepta să fie disponibil în câteva minute. ani. Îmbunătățind aceste tipuri de chimie, Covestro speră să aibă un proces mai eficient, care să producă mai puține deșeuri. „Aceasta înseamnă mai multă producție, o calitate mai bună a reacțiilor chimice din produsele pe care le generăm și un consum mai mic de energie în fabrici”, adaugă el.

Un al doilea proiect pe care îl vor analiza Covestro și QC Ware este posibilitatea de circularitate a producției. Compania se așteaptă să existe mai multă legislație la nivel global care să facă posibilă reciclarea polimerilor și a altor materiale în componentele lor originale, în loc să fie aruncate în gropile de gunoi sau arse. „De asemenea, credem că calculul cuantic aici poate fi un factor cheie”, spune Heinemann.

In termen mai lung, ambele companii cred că, pe măsură ce hardware-ul de calcul cuantic se maturizează, acesta va putea conduce simulări mai sofisticate care creează noi posibilități pentru fabricarea produselor. Pentru Covestro, o oportunitate este în domeniul energiei regenerabile, unde calculul cuantic poate ajuta la proiectarea de panouri solare și sisteme de baterii mai bune. Pentru QC Ware, asta înseamnă dezvoltarea de software cuantic și algoritmi care pot fi vânduți altor producători de materiale și, de asemenea, să ofere o bază pentru alte aplicații, cum ar fi descoperirea de medicamente.

„Avem acest aranjament reciproc avantajos în care, pentru ei, pot ajunge la curent cu informațiile cuantice și calculul cuantic și pot folosi tehnologia intern pentru a dezvolta produse pe care le vând pe piață”, spune cofondatorul și CEO-ul QC Ware. Matt Johnson.

„Cred că acest parteneriat și colaborare cu QC Ware arată cum funcționează cercetarea și dezvoltarea în rețelele globale”, adaugă Heineman. „Asta înseamnă că reunim expertiza potrivită și ne adaptăm colaborările pentru a conduce scopul comun.”