Detta samarbete kommer att använda Quantum Computing för att göra tillverkningen mer hållbar

On måndag, Tyskland-baserade polymertillverkaren Covestro tillkännagav ett 5-årigt samarbetsavtal med den San Francisco-baserade kvantdatorprogramutvecklaren QC Ware. Tillsammans kommer företagen att arbeta för att utveckla kvantberäkningsalgoritmer som kan förbättra Covestros tillverkningsprocesser och material.

"Vi är helt övertygade om att tekniken för kvantberäkning kommer att ge beräkningskemister ett avgörande lyft i framtiden", säger Torsten Heinemann, Covestros chef för koncerninnovation.

Kemisk tillverkning och materialvetenskap är industrier där mikroskopiska förändringar i mikroskopiska system kan ha stor inverkan på utvecklingen i makroskala. Beräkningskemister arbetar hårt med att definiera mikroskopiska strukturer i till exempel en solpanel, ner till nivån för hur elektroner rör sig genom den. Subtila förändringar i den infrastrukturen kan innebära procentuella effektivitetsvinster som kan ge megawatt mer kraft från en solenergianläggning varje år. På samma sätt kan några få molekylers skillnad i en katalysator för en kemisk reaktion innebära att reaktionen kan ske vid en temperatur som är några grader lägre - vilket kan spara tillverkare tusentals eller till och med miljontals dollar i kostnader.

Men utmaningen med den här kemin är att den måste göras på kvantnivå, där matematiken är så komplex att till och med superdatorer har svårt att få ihop siffrorna. Detta skapar en avvägning där att kunna designa material eller processer i rätt tid innebär att förenkla matematiska modeller och approximera kvantsystem. Ju mer förenklad modellen är, desto snabbare kan datorer krossa den – men till kostnaden för tillverkningskvalitet eller effektivitet.

Det är där kvantberäkningen kommer in. Eftersom dessa system drar fördel av kvantprocesser för att skapa datorkraft, har de potentialen att simulera kemi utan approximation. "Kvantkemi är extremt naturligt att göra på en kvantdator", förklarar Rob Parrish, QC Wares chef för kemisimulering (och alumn från 2015). forbes Vetenskapslista under 30). "Och anledningen är att du försöker göra en dubbelgångare av ett kvantsystem i ett annat kvantsystem. Så det kartläggs väldigt bra.”

Covestro och QC Ware har tillbringat det senaste året i ett partnerskap för att utveckla ett proof-of-concept för att modellera de typer av reaktioner som producerar molekyler i industriella tillämpningar. Detta arbete har resulterat i två artiklar, en som visar nya tekniker som möjliggör simulering med färre kvantberäkningsresurser, och den andra utvecklar ett nytt sätt att beräkna energigradienter. Dessa gradienter används för att simulera användbara kemiska processer av tillverkare.

Rjust nu, den kvantberäkningshårdvara som finns är inte kapabel att köra några av de stora simuleringar som de två företagen är intresserade av, säger Parrish. Men samarbetet syftar till att ha mjukvaran och algoritmerna redo för den dagen det är.

"Initiativet som vi har tagit för att göra detta är: om fem år, distribuera detta på den bästa kortsiktiga kvantdatorn som finns där ute för tillfället", tillägger han. "Och det här är en sak som kommer att ha många individuella forskningsströmmar inom sig."

Heinemann förklarar att Covestro på kort sikt hoppas kunna tillämpa dessa nya tekniker på sina kemiska tillverkningsprocesser som är beroende av katalytiska reaktioner, vilket borde vara lättare att simulera med kvanthårdvara som utvecklas nu och som kan förväntas vara tillgänglig inom några få år. Genom att förbättra dessa typer av kemi hoppas Covestro få en mer effektiv process som producerar mindre avfall. "Det betyder mer produktion, högre kvalitet på de kemiska reaktionerna i de produkter vi genererar och mindre energiförbrukning i anläggningarna", tillägger han.

Ett andra projekt som Covestro och QC Ware kommer att titta på är möjligheten till cirkulär tillverkning. Företaget förväntar sig att det kommer att finnas mer lagstiftning globalt inriktad på att göra det möjligt för polymerer och andra material att återvinnas till sina ursprungliga komponenter, snarare än att dumpas på soptippar eller brännas. "Vi tror också att kvantberäkning här kan vara en viktig möjlighet", säger Heinemann.

In på längre sikt, tror båda företagen att när kvantdatorhårdvaran mognar kommer den att kunna driva mer sofistikerade simuleringar som skapar nya möjligheter för produkttillverkning. För Covestro är en möjlighet inom förnybar energi, där kvantdatorer kan hjälpa till att designa bättre solpaneler och batterisystem. För QC Ware innebär det att man utvecklar kvantmjukvara och algoritmer som kan säljas till andra materialtillverkare, och som också ger en grund för andra applikationer som läkemedelsupptäckt.

"Vi har ett ömsesidigt fördelaktigt arrangemang där de för dem kan komma igång med kvantinformation och kvantberäkningar, och de kan internt använda tekniken för att utveckla produkter som de säljer till marknaden", säger QC Ware medgrundare och VD Matt Johnson.

"Jag tror att detta partnerskap och samarbete med QC Ware visar hur forskning och utveckling i globala nätverk fungerar", tillägger Heineman. "Det betyder att vi samlar ihop rätt expertis och skräddarsyr våra samarbeten för att driva det gemensamma syftet."