Questa collaborazione utilizzerà il Quantum Computing per rendere la produzione più sostenibile

On lunedì, il produttore tedesco di polimeri Covestro ha annunciato un accordo di collaborazione di 5 anni con lo sviluppatore di software di calcolo quantistico con sede a San Francisco QC Ware. Insieme, le aziende lavoreranno allo sviluppo di algoritmi di calcolo quantistico in grado di migliorare i processi di produzione ei materiali di Covestro.

"Siamo pienamente convinti che la tecnologia del calcolo quantistico darà ai chimici computazionali una spinta decisiva in futuro", afferma Torsten Heinemann, responsabile dell'innovazione del gruppo di Covestro.

La produzione chimica e la scienza dei materiali sono settori in cui i cambiamenti microscopici nei sistemi microscopici possono avere un impatto importante sullo sviluppo su macroscala. I chimici computazionali lavorano duramente per definire le strutture microscopiche, ad esempio, in un pannello solare, fino al livello di come gli elettroni si muovono attraverso di esso. Sottili cambiamenti in quell'infrastruttura possono significare guadagni percentuali di efficienza che potrebbero produrre megawatt in più di energia da un impianto di energia solare ogni anno. Allo stesso modo, una differenza di poche molecole in un catalizzatore per una reazione chimica potrebbe significare che la reazione può avvenire a una temperatura di alcuni gradi inferiore, il che potrebbe far risparmiare ai produttori migliaia o addirittura milioni di dollari di costi.

Ma la sfida di questa chimica è che deve essere fatta a livello quantistico, dove la matematica è così complessa che persino i supercomputer hanno difficoltà a sgranocchiare i numeri. Ciò crea un compromesso in cui essere in grado di progettare materiali o processi in modo tempestivo significa semplificare i modelli matematici e approssimare i sistemi quantistici. Più il modello è semplificato, più i computer veloci possono sgretolarlo, ma a scapito della qualità o dell'efficienza della produzione.

È qui che interviene il calcolo quantistico. Poiché questi sistemi sfruttano i processi quantistici per creare potenza di calcolo, hanno il potenziale per simulare la chimica senza approssimazione. "La chimica quantistica è estremamente naturale da fare su un computer quantistico", spiega Rob Parrish, capo delle simulazioni chimiche di QC Ware (ed ex allievo del 2015 Forbes Elenco Scienze under 30). «E il motivo è che stai cercando di fare un doppelganger di un sistema quantistico in un altro sistema quantistico. Quindi si mappa molto bene.

Covestro e QC Ware hanno trascorso l'ultimo anno in una partnership per sviluppare un proof-of-concept per modellare i tipi di reazioni che producono molecole nelle applicazioni industriali. Questo lavoro ha prodotto due documenti, uno che mostra nuove tecniche che consentono la simulazione utilizzando meno risorse di calcolo quantistico e l'altro che sviluppa un nuovo modo per calcolare i gradienti energetici. Questi gradienti vengono utilizzati per simulare utili processi chimici dai produttori.

Rora, l'hardware di calcolo quantistico esistente non è in grado di eseguire alcune delle grandi simulazioni a cui le due società sono interessate, afferma Parrish. Ma la collaborazione mira ad avere il software e gli algoritmi pronti per il giorno che sarà.

"L'iniziativa che ci siamo proposti di fare questo è: in cinque anni, implementarlo sul miglior computer quantistico a breve termine disponibile al momento", aggiunge. "E questa è una cosa che avrà molti flussi di ricerca individuali al suo interno".

Heinemann spiega che a breve termine, Covestro spera di applicare queste nuove tecniche ai suoi processi di produzione chimica che dipendono dalle reazioni catalitiche, che dovrebbero essere più facili da simulare con l'hardware quantistico che è in fase di sviluppo ora e ci si può aspettare che sarà disponibile entro pochi anni. Migliorando questi tipi di chimica, Covestro spera di avere un processo più efficiente che produca meno rifiuti. "Ciò significa più produzione, maggiore qualità delle reazioni chimiche nei prodotti che stiamo generando e minor consumo di energia negli impianti", aggiunge.

Un secondo progetto che Covestro e QC Ware esamineranno è la possibilità di circolarità della produzione. L'azienda prevede che ci sarà più legislazione a livello globale orientata a rendere possibile il riciclo di polimeri e altri materiali nei loro componenti originali, piuttosto che essere gettati nelle discariche o bruciati. "Pensiamo anche che il calcolo quantistico qui possa essere un fattore chiave", afferma Heinemann.

In a lungo termine, entrambe le società ritengono che man mano che l'hardware di calcolo quantistico matura, sarà in grado di guidare simulazioni più sofisticate che creeranno nuove possibilità per la produzione dei prodotti. Per Covestro, un'opportunità è nel regno delle energie rinnovabili, dove il calcolo quantistico può aiutare a progettare pannelli solari e sistemi di batterie migliori. Per QC Ware, ciò significa sviluppare software quantistico e algoritmi che possono essere venduti ad altri produttori di materiali e fornire anche una base per altre applicazioni come la scoperta di farmaci.

"Abbiamo questo accordo reciprocamente vantaggioso in cui per loro possono aggiornarsi sulle informazioni quantistiche e sull'informatica quantistica e possono utilizzare internamente la tecnologia per sviluppare prodotti che vendono sul mercato", afferma il cofondatore e CEO di QC Ware Matt Johnson.

"Penso che questa partnership e collaborazione con QC Ware stia dimostrando come funzionano la ricerca e lo sviluppo nelle reti globali", aggiunge Heineman. "Ciò significa che stiamo riunendo le giuste competenze e adattando le nostre collaborazioni per raggiungere lo scopo comune".