Dette samarbeidet vil bruke kvantedatabehandling for å gjøre produksjonen mer bærekraftig

On mandag, kunngjorde den tyske polymerprodusenten Covestro en 5-årig samarbeidsavtale med den San Francisco-baserte utvikleren av kvantedataprogramvare QC Ware. Sammen vil selskapene jobbe for å utvikle kvanteberegningsalgoritmer som kan forbedre Covestros produksjonsprosesser og materialer.

"Vi er helt overbevist om at teknologien til kvanteberegning vil gi beregningskjemikere et avgjørende løft i fremtiden," sier Torsten Heinemann, Covestros leder for konserninnovasjon.

Kjemisk produksjon og materialvitenskap er bransjer der mikroskopiske endringer i mikroskopiske systemer kan ha stor innvirkning på makroskalautvikling. Beregningskjemikere jobber hardt for å definere mikroskopiske strukturer i for eksempel et solcellepanel, ned til nivået av hvordan elektroner beveger seg gjennom det. Subtile endringer i den infrastrukturen kan bety prosentvise gevinster i effektivitet som kan gi megawatt mer kraft fra et solenergianlegg hvert år. På samme måte kan noen få molekylære forskjeller i en katalysator for en kjemisk reaksjon bety at reaksjonen kan finne sted ved en temperatur noen få grader lavere - noe som kan spare produsenter for tusenvis eller til og med millioner av dollar i kostnader.

Men utfordringen med denne kjemien er at den må gjøres på kvantenivå, der matematikken er så kompleks at selv superdatamaskiner har problemer med å knuse tallene. Dette skaper en avveining der det å kunne designe materialer eller prosesser på en tidsriktig måte betyr å forenkle matematiske modeller og tilnærme kvantesystemer. Jo mer forenklet modellen er, desto raskere kan datamaskiner knuse den – men til en kostnad av produksjonskvalitet eller effektivitet.

Det er der kvanteberegning trer inn. Fordi disse systemene utnytter kvanteprosesser for å skape datakraft, har de potensialet til å simulere kjemi uten tilnærming. "Kvantekjemi er ekstremt naturlig å gjøre på en kvantedatamaskin," forklarer Rob Parrish, QC Wares leder for kjemisimuleringer (og alumnus fra 2015). Forbes Under 30 vitenskapsliste). "Og grunnen er at du prøver å lage en doppelganger av ett kvantesystem i et annet kvantesystem. Så det kartlegger veldig bra."

Covestro og QC Ware har brukt det siste året i et partnerskap for å utvikle et proof-of-concept for modellering av reaksjonstyper som produserer molekyler i industrielle applikasjoner. Dette arbeidet har resultert i to artikler, en som viser nye teknikker som tillater simulering ved bruk av færre kvantedataressurser, og den andre utvikler en ny måte å beregne energigradienter på. Disse gradientene brukes til å simulere nyttige kjemiske prosesser av produsenter.

Rakkurat nå, kvantedatamaskinvaren som eksisterer er ikke i stand til å kjøre noen av de store simuleringene som de to selskapene er interessert i, sier Parrish. Men samarbeidet er rettet mot å ha programvaren og algoritmene klare for den dagen det er.

"Initiativet som vi har satt oss for å gjøre dette er: om fem år, distribuer dette på den beste kortsiktige kvantedatamaskinen som er der ute for øyeblikket," legger han til. "Og dette er en ting som vil ha mange individuelle forskningsstrømmer i seg."

Heinemann forklarer at Covestro på kort sikt håper å kunne anvende disse nye teknikkene på sine kjemiske produksjonsprosesser som er avhengige av katalytiske reaksjoner, som burde være lettere å simulere med kvantemaskinvare som utvikles nå og som kan forventes å være tilgjengelig innen få år. Ved å forbedre denne typen kjemi håper Covestro å ha en mer effektiv prosess som produserer mindre avfall. "Det betyr mer produksjon, høyere kvalitet på de kjemiske reaksjonene i produktene vi genererer, og mindre energiforbruk i anleggene," legger han til.

Et annet prosjekt Covestro og QC Ware vil se på er muligheten for sirkularitet i produksjonen. Selskapet forventer at det vil være mer lovgivning globalt rettet mot å gjøre det mulig for polymerer og andre materialer å resirkuleres tilbake til sine originale komponenter, i stedet for å bli dumpet på søppelfyllinger eller brennes. "Vi tror også at kvanteberegning her kan være en viktig muliggjører," sier Heinemann.

In på lengre sikt, mener begge selskapene at etter hvert som kvantedatamaskinvare modnes, vil den kunne drive mer sofistikerte simuleringer som skaper nye muligheter for produktproduksjon. For Covestro er en mulighet innen fornybar energi, der kvantedatabehandling kan bidra til å designe bedre solcellepaneler og batterisystemer. For QC Ware betyr det utvikling av kvanteprogramvare og algoritmer som kan selges til andre materialprodusenter, og som også gir grunnlag for andre applikasjoner som for eksempel medikamentoppdagelse.

"Vi har denne gjensidig fordelaktige ordningen hvor de for dem kan komme opp i fart innen kvanteinformasjon og kvantedatabehandling, og de kan internt bruke teknologien til å utvikle produkter som de selger til markedet," sier QC Ware medgrunnlegger og administrerende direktør. Matt Johnson.

"Jeg tror dette partnerskapet og samarbeidet med QC Ware viser hvordan forskning og utvikling i globale nettverk fungerer," legger Heineman til. "Det betyr at vi samler den rette ekspertisen og skreddersyr samarbeidene våre for å drive det felles formålet."