Diese Zusammenarbeit wird Quantencomputer nutzen, um die Fertigung nachhaltiger zu gestalten

On Montag, gab der in Deutschland ansässige Polymerhersteller Covestro eine 5-Jahres-Kooperationsvereinbarung mit dem in San Francisco ansässigen Quantencomputer-Softwareentwickler QC Ware bekannt. Gemeinsam werden die Unternehmen an der Entwicklung von Quantencomputer-Algorithmen arbeiten, die die Herstellungsprozesse und Materialien von Covestro verbessern können.

„Wir sind fest davon überzeugt, dass die Technologie des Quantencomputings der Computerchemie in Zukunft einen entscheidenden Schub geben wird“, sagt Torsten Heinemann, Leiter Konzerninnovation bei Covestro.

Chemische Fertigung und Materialwissenschaften sind Branchen, in denen mikroskopische Veränderungen in mikroskopischen Systemen große Auswirkungen auf die Entwicklung auf der Makroebene haben können. Computerchemiker arbeiten hart daran, mikroskopische Strukturen beispielsweise in einem Solarpanel zu definieren, bis hin zur Art und Weise, wie sich Elektronen durch das Panel bewegen. Subtile Änderungen in dieser Infrastruktur können zu prozentualen Effizienzsteigerungen führen, die jedes Jahr Megawatt mehr Strom aus einer Solaranlage liefern könnten. Ebenso könnte ein Unterschied von wenigen Molekülen in einem Katalysator für eine chemische Reaktion bedeuten, dass die Reaktion bei einer um einige Grad niedrigeren Temperatur stattfinden kann – was den Herstellern Kosten in Höhe von Tausenden oder sogar Millionen Dollar einsparen könnte.

Die Herausforderung dieser Chemie besteht jedoch darin, dass sie auf der Quantenebene durchgeführt werden muss, wo die Mathematik so komplex ist, dass selbst Supercomputer Schwierigkeiten haben, die Zahlen zu berechnen. Dies führt zu einem Kompromiss, bei dem die Möglichkeit, Materialien oder Prozesse zeitnah zu entwerfen, mathematische Modelle vereinfacht und Quantensysteme annähert. Je einfacher das Modell ist, desto schneller können Computer es verarbeiten – allerdings auf Kosten der Fertigungsqualität oder -effizienz.

Hier kommt das Quantencomputing ins Spiel. Da diese Systeme Quantenprozesse nutzen, um Rechenleistung zu erzeugen, haben sie das Potenzial, Chemie ohne Näherung zu simulieren. „Quantenchemie lässt sich ganz natürlich auf einem Quantencomputer durchführen“, erklärt Rob Parrish, Leiter der Chemiesimulationen bei QC Ware (und Absolvent des 2015). Forbes Unter 30 Wissenschaftsliste). „Und der Grund dafür ist, dass Sie versuchen, aus einem Quantensystem einen Doppelgänger in einem anderen Quantensystem zu machen. Es lässt sich also sehr gut kartieren.“

Covestro und QC Ware haben im vergangenen Jahr gemeinsam einen Proof-of-Concept für die Modellierung der Reaktionstypen entwickelt, die in industriellen Anwendungen Moleküle produzieren. Aus dieser Arbeit sind zwei Arbeiten hervorgegangen, von denen einer neue Techniken zeigt, die eine Simulation mit weniger Quantencomputerressourcen ermöglichen, und der andere eine neue Methode zur Berechnung von Energiegradienten entwickelt. Diese Gradienten werden von Herstellern zur Simulation nützlicher chemischer Prozesse verwendet.

Rgenau jetztLaut Parrish ist die vorhandene Quantencomputer-Hardware nicht in der Lage, einige der großen Simulationen auszuführen, an denen die beiden Unternehmen interessiert sind. Aber die Zusammenarbeit zielt darauf ab, die Software und Algorithmen für den Tag bereit zu haben, an dem sie anstehen.

„Die Initiative, die wir uns vorgenommen haben, um dies zu erreichen, besteht darin, dies in fünf Jahren auf dem derzeit besten kurzfristigen Quantencomputer bereitzustellen“, fügt er hinzu. „Und das ist eine Sache, die viele einzelne Forschungsströme beinhalten wird.“

Heinemann erklärt, dass Covestro kurzfristig hofft, diese neuen Techniken auf seine chemischen Herstellungsprozesse anwenden zu können, die auf katalytischen Reaktionen basieren. Diese sollen mit der derzeit entwickelten Quantenhardware einfacher zu simulieren sein und voraussichtlich in wenigen Jahren verfügbar sein Jahre. Durch die Verbesserung dieser Art von Chemie hofft Covestro auf einen effizienteren Prozess, der weniger Abfall produziert. „Das bedeutet mehr Output, eine höhere Qualität der chemischen Reaktionen in den von uns erzeugten Produkten und einen geringeren Energieverbrauch in den Anlagen“, fügt er hinzu.

Ein zweites Projekt, das Covestro und QC Ware untersuchen werden, ist die Möglichkeit einer Kreislaufwirtschaft in der Fertigung. Das Unternehmen geht davon aus, dass es weltweit mehr Gesetze geben wird, die darauf abzielen, Polymere und andere Materialien wieder in ihre ursprünglichen Bestandteile zu recyceln, anstatt sie auf Mülldeponien zu entsorgen oder zu verbrennen. „Wir glauben auch, dass Quantencomputing hier ein entscheidender Wegbereiter sein kann“, sagt Heinemann.

In auf längere SichtBeide Unternehmen glauben, dass mit zunehmender Reife der Quantencomputer-Hardware anspruchsvollere Simulationen möglich sein werden, die neue Möglichkeiten für die Produktherstellung schaffen. Eine Chance für Covestro liegt im Bereich der erneuerbaren Energien, wo Quantencomputing dabei helfen kann, bessere Solarmodule und Batteriesysteme zu entwickeln. Für QC Ware bedeutet das die Entwicklung von Quantensoftware und -algorithmen, die an andere Materialhersteller verkauft werden können und auch eine Grundlage für andere Anwendungen wie die Arzneimittelforschung bilden.

„Wir haben diese für beide Seiten vorteilhafte Vereinbarung getroffen, bei der sie sich mit Quanteninformation und Quantencomputing vertraut machen und die Technologie intern nutzen können, um Produkte zu entwickeln, die sie auf den Markt verkaufen“, sagt Mitbegründer und CEO von QC Ware Matt Johnson.

„Ich denke, diese Partnerschaft und Zusammenarbeit mit QC Ware zeigt, wie Forschung und Entwicklung in globalen Netzwerken funktioniert“, fügt Heineman hinzu. „Das bedeutet, dass wir das richtige Fachwissen zusammenbringen und unsere Zusammenarbeit so gestalten, dass wir das gemeinsame Ziel vorantreiben.“