Algorithmiq a Fraunhofer ISC budou v budoucnu spolupracovat na kvantovém výpočetnictví pro vývoj materiálů

© Algorithmiq

Prof. Miriam Unterlass (vlevo) a Prof. Sabrina Maniscalco (vpravo) spojují výzkumné síly, aby využily kvantové výpočty ve výzkumu materiálů. © K. Wolf / Algorithmiq

Dostupná medicína, zdražování energií, závislost na strategických zdrojích surovin: pro řadu aktuálních otázek hrají nová materiály klíčovou roli. Klasické způsoby vývoje materiálů jsou však časově náročné a často vyžadují mnoho let. Fraunhoferův ústav pro výzkum skla proto pracuje na urychlených přístupech k vývoji („Materials Acceleration“) založených na digitálních metodách, strojovém učení a umělé inteligenci (AI). Další možnosti urychlení a komplexnější využití prostoru materiálů se očekávají při použití kvantových počítačů. S italskou společností Algorithmiq, která má prokazatelné zkušenosti v oblasti kvantových počítačů, podepsal Fraunhofer ISC memorandum o porozumění (MoU) pro další spolupráci.

Metafora lotosu ilustruje cestu k využitelnému kvantovému náskoku. Vnitřní okvětní lístky představují tři podmínky, které musí být splněny současně: proveditelnost na současném hardwaru, relevance pro výzkum materiálového prostoru a validace vůči nejmodernějším klasickým metodám za spravedlivých podmínek zdrojů. Vnější okvětní lístky představují nasazení, integraci a škálování. Ty jsou nezbytné pro přenesení pokroku do praxe a mohou být systematicky rozvíjeny. V pravém lotosovém květu obsahuje centrální struktura semena, ze kterých mohou růst nové květy. V tomto smyslu považujeme jádro za generativní, schopné podporovat různé aplikace po jeho zavedení, a těšíme se, že tuto myšlenku začleníme do výzkumu materiálů. © Algorithmiq

Fraunhofer ISC má rozsáhlé zkušenosti s chemickou syntézou velmi různorodých materiálů. Klasické laboratorní syntézy jsou však časově náročné: pro nový přístup k materiálům je třeba řada pokusů, než jsou dosaženy požadované vlastnosti materiálu a zpracování. Digitální metody nabízejí možnost urychlit vývojové procesy. Pomocí simulací a výpočtů vztahů struktura-vlastnosti lze včas vyloučit nevhodné varianty a cíleně identifikovat slibné kandidáty. Základní procesy jsou však velmi složité: úplný popis dynamiky kvantových mnohotělesových systémů vyžaduje i na dnešních výkonných počítačích extrémně dlouhé výpočty. Kvantové počítače by například mohly výrazně urychlit hledání energeticky úsporných vysokovýkonných magnetických materiálů („rare-earth-lean magnets“ nebo „gap magnets“) a umožnit průnik do dosud nedosažených oblastí materiálového prostoru.

Kvantové počítače – rychlejší a komplexnější průzkum materiálového prostoru

Algorithmiq je kvantově výpočetní společnost z Milána, která se specializuje na vývoj kvantově nativních algoritmů pro výzkum léčiv a simulaci molekul. Hlavním cílem je přesnější a efektivnější výpočet vlastností a dynamiky molekul, než je možné klasickými simulacemi (například klasická kvantová chemie, molekulární dynamika). Aby kvantové algoritmy speciálně přizpůsobené pro chemii a vědy o živé přírodě již fungovaly na dnešních, stále chybujících kvantových počítačích, používá tým hybridní přístupy, kdy spolupracují klasický počítač a kvantový počítač: kvantový počítač vypočítává zvlášť složité kvantové efekty v molekulách, zatímco klasický řídí optimalizaci a vyhodnocení. Metody jsou navrženy tak, aby využívaly typické struktury a zákonitosti z chemie, a tím poskytovaly co nejspolehlivější informace o molekulách a jejich vlastnostech i při hardwarových chybách.

Nyní chtějí vědci rozšířit svůj dosud především v oblasti věd o živé přírodě používaný koncept kvantových počítačů, který v dubnu získal cenu od organizace Wellcome Leap ve výši 2 milionů dolarů za „první průběžnou demonstraci kvantově klasického pracovního postupu pro simulaci složitých terapií a tím otevření důvěryhodné cesty k krátkodobému kvantovému náskoku ve vědách o živé přírodě“, cíleně na chemický vývoj materiálů. K tomu společnost uzavřela strategické partnerství s Fraunhoferem ISC, který přináší své know-how v oblasti chemické syntézy a digitalizace materiálů.

Efektivnější řešení složitých problémů

„Nejprve pomocí simulací snadněji identifikujeme naše bílé skvrny v materiálovém prostoru – tedy materiály, které jsme sice přímo nehledali, jejich vlastnosti však mohou být velmi slibné,“ vysvětluje prof. Dr. Miriam Unterlass, ředitelka Fraunhoferova ústavu, cíle spolupráce. Dalším cílem je lépe porozumět materiálovému prostoru pomocí simulací a rychleji nacházet nová řešení. „V budoucnu budeme i nadále potřebovat kreativitu vědkyň a vědců k vytváření společensky důležitých inovací. Ovšem nástroje se stanou digitálnějšími, a vedle skutečné syntézy bude digitální dvojče hrát velkou roli, s nímž bude možné předpovídat materiálovou syntézu, vlastnosti produktů a jejich recyklaci v celém životním cyklu produktu, aniž bychom museli sledovat každý jednotlivý krok v laboratoři.“

Zahrnutí kvantových počítačů do řešení tak složitých úloh je proto důležitým krokem směrem k urychlenému vývoji materiálů. Prof. Dr. Sabrina Maniscalco, generální ředitelka a spoluzakladatelka Algorithmiq, doplňuje: „Příliš dlouho se globální diskurz kolem kvantových počítačů soustředil téměř výhradně na hardware. Ovšem hardware sám nestačí. Bez významného pokroku v algoritmech a softwaru hrozí, že kvantové počítače zůstanou vědecky působivé, ale bez skutečné průmyslové přidané hodnoty. U Algorithmiq budujeme algoritmickou vrstvu, která skutečně činí kvantové počítače užitečnými – pro chemii, vědy o živé přírodě, nové materiály a dále.“

V červnu 2026 se setkají partneři Algorithmiq a Fraunhofer ISC na úrovni vedení, aby projednali první společné projekty a jejich zaměření.