Esta colaboración utilizará la computación cuántica para hacer que la fabricación sea más sostenible

Oel lunes, el fabricante de polímeros con sede en Alemania, Covestro, anunció un acuerdo de colaboración de 5 años con el desarrollador de software de computación cuántica con sede en San Francisco, QC Ware. Juntas, las empresas trabajarán para desarrollar algoritmos de computación cuántica que puedan mejorar los procesos y materiales de fabricación de Covestro.

“Estamos totalmente convencidos de que la tecnología de la computación cuántica dará a los químicos computacionales un impulso decisivo en el futuro”, dice Torsten Heinemann, jefe de innovación del grupo de Covestro.

La fabricación de productos químicos y la ciencia de los materiales son industrias en las que los cambios microscópicos en los sistemas microscópicos pueden tener un gran impacto en el desarrollo a macroescala. Los químicos computacionales trabajan duro para definir estructuras microscópicas en, por ejemplo, un panel solar, hasta el nivel de cómo se mueven los electrones a través de él. Los cambios sutiles en esa infraestructura pueden significar ganancias porcentuales en la eficiencia que podrían generar megavatios más de energía de una planta de energía solar cada año. Del mismo modo, una diferencia de unas pocas moléculas en un catalizador para una reacción química podría significar que la reacción puede tener lugar a una temperatura unos grados más baja, lo que podría ahorrarles a los fabricantes miles o incluso millones de dólares en costos.

Pero el desafío de esta química es que tiene que hacerse a nivel cuántico, donde las matemáticas son tan complejas que incluso las supercomputadoras tienen problemas para procesar los números. Esto crea una compensación en la que poder diseñar materiales o procesos de manera oportuna significa simplificar los modelos matemáticos y aproximar los sistemas cuánticos. Cuanto más simplificado sea el modelo, más rápido podrán procesarlo las computadoras, pero a costa de la calidad o la eficiencia de la fabricación.

Ahí es donde interviene la computación cuántica. Debido a que estos sistemas aprovechan los procesos cuánticos para crear poder de cómputo, tienen el potencial de simular la química sin aproximación. "La química cuántica es extremadamente natural de hacer en una computadora cuántica", explica Rob Parrish, jefe de simulaciones químicas de QC Ware (y ex alumno del 2015). Forbes Menos de 30 lista de Ciencias). “Y la razón es que estás tratando de hacer un doble de un sistema cuántico en otro sistema cuántico. Así que mapea muy bien”.

Covestro y QC Ware se asociaron el año pasado para desarrollar una prueba de concepto para modelar los tipos de reacciones que producen moléculas en aplicaciones industriales. Este trabajo ha dado lugar a dos artículos, uno que muestra nuevas técnicas que permiten la simulación utilizando menos recursos de computación cuántica y el otro que desarrolla una nueva forma de calcular los gradientes de energía. Estos gradientes se utilizan para simular procesos químicos útiles por parte de los fabricantes.

RAhora mismo, el hardware de computación cuántica que existe no es capaz de ejecutar algunas de las grandes simulaciones en las que están interesadas las dos empresas, dice Parrish. Pero la colaboración tiene como objetivo tener el software y los algoritmos listos para el día que sea.

“La iniciativa que nos propusimos para hacer esto es: en cinco años, implementar esto en la mejor computadora cuántica a corto plazo que existe en este momento”, agrega. “Y esto es algo que tendrá muchas corrientes de investigación individuales dentro de él”.

Heinemann explica que, a corto plazo, Covestro espera aplicar estas nuevas técnicas a sus procesos de fabricación química que dependen de reacciones catalíticas, que deberían ser más fáciles de simular con el hardware cuántico que se está desarrollando ahora y se espera que esté disponible en unos pocos años. Al mejorar este tipo de química, Covestro espera tener un proceso más eficiente que produzca menos desperdicio. “Eso significa más producción, mayor calidad de las reacciones químicas en los productos que estamos generando y menor consumo de energía en las plantas”, agrega.

Un segundo proyecto que Covestro y QC Ware analizarán es la posibilidad de circularidad en la fabricación. La compañía espera que haya más legislación a nivel mundial orientada a hacer posible que los polímeros y otros materiales se reciclen en sus componentes originales, en lugar de tirarlos a los vertederos o quemarlos. “También creemos que la computación cuántica aquí puede ser un habilitador clave”, dice Heinemann.

Ia largo plazo, ambas compañías creen que a medida que madure el hardware de computación cuántica, podrá impulsar simulaciones más sofisticadas que creen nuevas posibilidades para la fabricación de productos. Para Covestro, una oportunidad está en el ámbito de la energía renovable, donde la computación cuántica puede ayudar a diseñar mejores paneles solares y sistemas de baterías. Para QC Ware, eso significa desarrollar software cuántico y algoritmos que puedan venderse a otros fabricantes de materiales y también proporcionar una base para otras aplicaciones, como el descubrimiento de fármacos.

"Tenemos este acuerdo de beneficio mutuo donde, para ellos, pueden ponerse al día en información cuántica y computación cuántica, y pueden usar la tecnología internamente para desarrollar productos que venden en el mercado", dice el cofundador y director ejecutivo de QC Ware. Matt Johnson.

“Creo que esta asociación y colaboración con QC Ware está mostrando cómo funciona la investigación y el desarrollo en redes globales”, agrega Heineman. “Eso significa que estamos reuniendo la experiencia adecuada y adaptando nuestras colaboraciones para impulsar el propósito común”.