Algorithmiq és a Fraunhofer ISC a jövőben együttműködik az anyagfejlesztéshez kapcsolódó kvantumszámítástechnika terén

© Algorithmiq

Prof. Miriam Unterlass (balra) és Prof. Sabrina Maniscalco (jobbra) kutatóerőket egyesítenek, hogy a kvantumszámítógépezést a anyagtudományban hasznosíthatóvá tegyék. © K. Wolf / Algorithmiq

Megfizethető orvostudomány, energiaárak növekedése, stratégiai nyersanyagforrásoktól való függőség: sok aktuális kérdésben új anyagok játszanak központi szerepet. A hagyományos anyagfejlesztési módszerek azonban időigényesek, és gyakran több évbe telik. A Fraunhofer Silikátkutató Intézet ezért digitális módszerek, gépi tanulás és Mesterséges Intelligencia (MI) alapú felgyorsított fejlesztési megközelítéseken („Materials Acceleration”) dolgozik. További gyorsító potenciálokat és az anyagtér teljesebb feltárását várják a kvantumszámítógépek alkalmazásától. Az ehhez a területhez az Algorithmiq olasz vállalattal kötött megállapodást, amely kifejezetten jártas a kvantumszámítástechnika terén, a Fraunhofer ISC pedig egy Memorandum of Understanding (MoU)-t írt alá a további együttműködés érdekében.

A Lotus-metafora szemlélteti az utat a használható kvantumelőny eléréséhez. A belső virágsziromkék három feltételt jelöl, amelyek egyidejű teljesülése szükséges: a jelenlegi hardverrel való végrehajthatóság, a materiális tér kutatásához való relevancia és a modern klasszikus módszerekkel való érvényesítés tisztességes erőforrás-elképzelésekkel. A külső szirmok az alkalmazást, az integrációt és a skálázást jelölik. Ezek elengedhetetlenek ahhoz, hogy a haladást a gyakorlatba ültessük, és rendszeresen fejleszthetők. Egy valódi Lotus-virág központi szerkezetében a magok találhatók, amelyekből új virágok nőhetnek. Ezen értelemben ezt a magot generatívnak tekintjük, képes támogatni sokféle alkalmazást az elfogadását követően, és várjuk, hogy ezt az ötletet a materiális kutatásba is beépítsük. © Algorithmiq

A Fraunhofer ISC jelentős tapasztalattal rendelkezik különböző anyagok kémiai szintézisében. A hagyományos laboratóriumi szintézis azonban időigényes: egy új anyagfejlesztéshez számos kísérlet szükséges, amíg el nem érik a kívánt anyag- és feldolgozási tulajdonságokat. A digitális módszerek lehetőséget adnak a fejlesztési folyamatok felgyorsítására. Szimulációk és szerkezet-tulajdonság összefüggések számításával korán kiszűrhetők a nem megfelelő változatok, és célzottan az ígéretes jelöltek azonosíthatók. Az alapul szolgáló folyamatok azonban rendkívül összetettek: a kvantummechanikai sokrészecske-rendszerek dinamikájának teljes leírása még a mai csúcstechnológiás számítógépeken is gyakran rendkívül hosszú számítási időt igényel. A kvantumszámítástechnika például jelentősen felgyorsíthatná a különösen erőforrás-kímélő nagy teljesítményű mágneses anyagok („ritkaföld-mentes mágnesek” vagy „rés-mágnesek”) keresését, és a materiális tér eddig elérhetetlen mélységében tárhatná fel az anyagokat.

Kvantumszámítástechnika – a materiális tér gyorsabb és átfogóbb feltárása

Az Algorithmiq egy milánói kvantumszámítástechnikai vállalat, amely a kvantum-natív algoritmusok fejlesztésére specializálódott gyógyszerkutatás és molekuláris szimuláció terén. Alapvető célja, hogy a molekulák tulajdonságait és dinamikáját sokkal pontosabban és hatékonyabban számítsa ki, mint a hagyományos szimulációk (pl. klasszikus kvantumkémia, molekuláris dinamika szimulációk). Annak érdekében, hogy a kifejezetten kémiai és élet-tudományi kérdésekre szabott kvantumalgoritmusok már a mai, még hibákkal terhelt kvantumszámítógépeken működjenek, a csapat hibrid módszereket alkalmaz, ahol egy klasszikus számítógép és egy kvantumszámítógép együttműködik: a kvantumszámítógép a molekulákban lévő különösen nehéz kvantumhatásokat számítja ki, a klasszikus gép irányítja az optimalizálást és az értékelést. A módszerek úgy vannak kialakítva, hogy kihasználják a kémia tipikus szerkezetét és törvényszerűségeit, hogy a hardverhibák ellenére a lehető legmegbízhatóbb kijelentéseket tegyenek a molekulákról és azok tulajdonságairól.

Most a kutatók célul tűzték ki, hogy eddig főként az élet-tudományok területén alkalmazott kvantumszámítástechnikai koncepciójukat, amelyet az áprilisi, 2 millió dolláros díjjal kitüntetett Wellcome Leap szervezet „az első teljes kvantumklasszikus munkafolyamat bemutatásáért komplex terápiák szimulációjára, ezáltal hiteles úton nyitva meg egy rövid távú kvantumelőny lehetőségét az élet-tudományok területén” címmel, kifejezetten a kémiai anyagfejlesztésre terjesztenek ki. Ehhez a vállalat stratégiai partnerséget kötött a Fraunhofer ISC-vel, amely a kémiai anyagszintézis és digitalizálás területén szerzett szakértelmét hozza be.

Hatékonyabb problémamegoldás komplex kérdésekben

„Először szimulációkkal könnyebben azonosíthatjuk anyagterünk fehér foltjait – vagyis azokat az anyagokat, amelyeket nem feltétlenül kerestünk, de tulajdonságaik ígéretesek lehetnek” – magyarázza Prof. Dr. Miriam Unterlass, a Fraunhofer ISC igazgatónője, a együttműködés céljait. Egy másik cél, hogy a szimulációk révén jobban megértsük az anyagtér szerkezetét, és gyorsabban találjunk új megoldásokat. „A jövőben is szükség lesz a kutatók kreativitására, hogy társadalmilag releváns innovációkat hozzanak létre. Azonban a szerszámok digitalizálódnak, és a fizikai szintézis mellett a digitális iker is nagy szerepet fog játszani, amely lehetővé teszi az anyagszintézis, a termékjellemzők és az újrahasznosítás során történő visszanyerés előrejelzését az egész termék életciklusa során, anélkül, hogy minden laboratóriumi lépést nyomon kellene követni.”

A kvantumszámítógépek ilyen összetett feladatokban való alkalmazásának ezért fontos lépés a gyorsított anyagfejlesztés felé. Prof. Dr. Sabrina Maniscalco, az Algorithmiq ügyvezető igazgatója és társalapítója hozzáteszi: „Túl hosszú ideig a kvantumszámítástechnika globális diskurzusa szinte kizárólag a hardverre összpontosított. De a hardver önmagában nem elég. Algoritmusokban és szoftverben jelentős előrelépés nélkül a kvantumszámítógépek tudományosan lenyűgözőek maradnak, de valódi ipari értéket nem hoznak. Az Algorithmiq-nál az algoritmikus réteget építjük, amely valóban hasznossá teszi a kvantumszámítógépeket – a kémia, az élet-tudományok, az új anyagok és azon túl is.”

2026 júniusában a partnerek, az Algorithmiq és a Fraunhofer ISC vezető szinten találkoznak, hogy egyeztessenek az első közös projektekről és azok irányairól.