Tämä yhteistyö käyttää kvanttilaskentaa tehdäkseen valmistuksesta kestävämpää

On maanantaina, Saksalainen polymeerivalmistaja Covestro ilmoitti 5 vuoden yhteistyösopimuksesta San Franciscossa toimivan kvanttilaskentaohjelmistojen kehittäjän QC Waren kanssa. Yritykset kehittävät yhdessä kvanttilaskenta-algoritmeja, jotka voivat parantaa Covestron valmistusprosesseja ja materiaaleja.

"Olemme täysin vakuuttuneita siitä, että kvanttilaskennan teknologia antaa laskennallisille kemisteille ratkaisevan sysäyksen tulevaisuudessa", sanoo Torsten Heinemann, Covestro-konsernin innovaatiojohtaja.

Kemianvalmistus ja materiaalitiede ovat aloja, joilla mikroskooppisilla muutoksilla mikroskooppisissa järjestelmissä voi olla suuria vaikutuksia makromittakaavakehitykseen. Laskennalliset kemistit työskentelevät kovasti määrittääkseen mikroskooppisia rakenteita esimerkiksi aurinkopaneelissa aina siihen asti, kuinka elektronit liikkuvat sen läpi. Hienovaraiset muutokset tässä infrastruktuurissa voivat tarkoittaa prosentuaalista hyötysuhdetta, joka voi tuottaa megawattia enemmän aurinkovoimalasta vuodessa. Samoin muutaman molekyylin ero kemiallisen reaktion katalyytissä voi tarkoittaa, että reaktio voi tapahtua muutaman asteen alhaisemmassa lämpötilassa – mikä voisi säästää valmistajien tuhansia tai jopa miljoonia dollareita kustannuksissa.

Mutta tämän kemian haaste on, että se on tehtävä kvanttitasolla, jossa matematiikka on niin monimutkaista, että jopa supertietokoneilla on vaikeuksia murskata numeroita. Tämä luo kompromissin, jossa materiaalien tai prosessien suunnittelu oikea-aikaisesti tarkoittaa matemaattisten mallien yksinkertaistamista ja kvanttijärjestelmien lähentämistä. Mitä yksinkertaisempi malli, sitä nopeammat tietokoneet voivat murskata sen – mutta tuotannon laadun tai tehokkuuden kustannuksella.

Siellä kvanttilaskenta astuu sisään. Koska nämä järjestelmät hyödyntävät kvanttiprosesseja laskentatehon luomiseksi, niillä on potentiaalia simuloida kemiaa ilman approksimaatiota. "Kvanttikemia on erittäin luonnollista tehdä kvanttitietokoneella", selittää Rob Parrish, QC Waren kemian simulaatioiden johtaja (ja vuoden 2015 alumni). Forbes Alle 30 tiedeluettelo). "Ja syynä on se, että yritätte tehdä yhdestä kvanttijärjestelmästä toisessa kvanttijärjestelmässä kaksoispisteen. Joten se kartoittaa erittäin hienosti."

Covestro ja QC Ware ovat viettäneet kuluneen vuoden kumppanuudessa kehittääkseen konseptin todisteita sellaisten reaktioiden mallintamisesta, jotka tuottavat molekyylejä teollisissa sovelluksissa. Tämän työn tuloksena on kaksi artikkelia, joista toinen esittelee uusia tekniikoita, jotka mahdollistavat simuloinnin käyttämällä vähemmän kvanttilaskentaresursseja, ja toinen kehittää uutta tapaa laskea energiagradientteja. Valmistajat käyttävät näitä gradientteja simuloimaan hyödyllisiä kemiallisia prosesseja.

Rhyvä nyt, olemassa oleva kvanttilaskentalaitteisto ei pysty suorittamaan joitain suuria simulaatioita, joista kaksi yritystä ovat kiinnostuneita, Parrish sanoo. Mutta yhteistyön tavoitteena on saada ohjelmisto ja algoritmit valmiiksi sitä päivää varten.

"Aloitus, jonka olemme päättäneet tehdä tämä, on: ota tämä käyttöön viiden vuoden kuluttua parhaalla tällä hetkellä saatavilla olevassa lyhyen aikavälin kvanttitietokoneessa", hän lisää. "Ja tämä on asia, jossa on monia yksittäisiä tutkimusvirtoja."

Heinemann selittää, että Covestro toivoo lyhyellä aikavälillä soveltavansa näitä uusia tekniikoita kemiallisiin valmistusprosesseihinsa, jotka riippuvat katalyyttisistä reaktioista, joita pitäisi olla helpompi simuloida tällä hetkellä kehitteillä olevalla kvanttilaitteistolla, jonka odotetaan olevan saatavilla muutaman kuluttua. vuotta. Tällaista kemiaa parantamalla Covestro toivoo saavansa tehokkaamman prosessin, joka tuottaa vähemmän jätettä. "Se tarkoittaa enemmän tuotantoa, parempaa kemiallisten reaktioiden laatua tuottamissamme tuotteissa ja vähemmän energiankulutusta laitoksissa", hän lisää.

Toinen projekti, jota Covestro ja QC Ware tarkastelevat, on valmistuksen kiertokulkumahdollisuus. Yhtiö odottaa, että maailmanlaajuisesti tulee lisää lainsäädäntöä, joka mahdollistaisi polymeerien ja muiden materiaalien kierrättämisen takaisin alkuperäisiksi komponenteiksi sen sijaan, että ne upotetaan kaatopaikoille tai poltettaisiin. "Uskomme myös, että kvanttilaskenta voi olla avaintekijä", Heinemann sanoo.

In pidemmällä aikavälilläMolemmat yritykset uskovat, että kvanttilaskentalaitteiston kypsyessä se pystyy ajamaan kehittyneempiä simulaatioita, jotka luovat uusia mahdollisuuksia tuotteiden valmistukseen. Covestrolle yksi mahdollisuus on uusiutuvan energian alalla, jossa kvanttilaskenta voi auttaa suunnittelemaan parempia aurinkopaneeleja ja akkujärjestelmiä. QC Warelle tämä tarkoittaa kvanttiohjelmistojen ja -algoritmien kehittämistä, jotka voidaan myydä muille materiaalivalmistajille ja jotka tarjoavat myös perustan muille sovelluksille, kuten lääkekehitykseen.

"Meillä on tämä molempia osapuolia hyödyttävä järjestely, jossa he voivat päästä vauhtiin kvanttitiedon ja kvanttilaskennan alalla, ja he voivat käyttää teknologiaa sisäisesti kehittääkseen tuotteita, joita he myyvät markkinoille", sanoo QC Waren perustaja ja toimitusjohtaja. Matt Johnson.

"Mielestäni tämä kumppanuus ja yhteistyö QC Waren kanssa esittelee, kuinka tutkimus- ja kehitystyö globaaleissa verkostoissa toimii", lisää Heineman. "Tämä tarkoittaa, että kokoamme yhteen oikean asiantuntemuksen ja räätälöimme yhteistyömme ajamaan yhteistä tarkoitusta."