Algorithmiq e Fraunhofer ISC collaboreranno in futuro nel campo del calcolo quantistico per lo sviluppo dei materiali

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Prof. Miriam Unterlass (a sinistra) e Prof. Sabrina Maniscalco (a destra) uniscono le forze di ricerca per rendere il calcolo quantistico utile nella ricerca sui materiali. © K. Wolf / Algorithmiq

Medicina accessibile, aumento dei costi dell'energia, dipendenza dalle fonti strategiche di materie prime: per molte questioni attuali, i nuovi materiali svolgono un ruolo centrale. Tuttavia, i metodi classici di sviluppo dei materiali sono lunghi e spesso richiedono molti anni. Il Fraunhofer-Institut für Silicatforschung lavora quindi su approcci di sviluppo accelerato («Materials Acceleration») basati su metodi digitali, apprendimento automatico e Intelligenza Artificiale (IA). Si prevedono ulteriori potenzialità di accelerazione e una più ampia esplorazione dello spazio dei materiali nell'uso dei computer quantistici. Con l'azienda italiana Algorithmiq, che possiede una comprovata expertise nel calcolo quantistico, il Fraunhofer ISC ha firmato un Memorandum of Understanding (MoU) per una futura collaborazione.

La metafora del loto illustra il percorso verso un vantaggio quantistico utilizzabile. I petali interni rappresentano tre condizioni che devono essere soddisfatte contemporaneamente: fattibilità sulla tecnologia attuale, rilevanza per la ricerca dello spazio materiale e validazione rispetto ai metodi classici più avanzati, con risorse eque. I petali esterni rappresentano l'impiego, l'integrazione e la scalabilità. Questi sono essenziali per tradurre i progressi in pratica e possono essere sviluppati sistematicamente. In un vero fiore di loto, la struttura centrale contiene i semi da cui possono crescere nuovi fiori. In questo senso, consideriamo questo nucleo come generativo, capace di supportare molteplici applicazioni dopo la sua instaurazione, e siamo entusiasti di portare questa idea nella ricerca sui materiali. © Algorithmiq

Il Fraunhofer ISC possiede una vasta esperienza nella sintesi chimica di materiali molto diversi. Tuttavia, le sintesi di laboratorio classiche sono lunghe: per un nuovo approccio ai materiali sono necessarie numerose prove prima di raggiungere le proprietà desiderate di materiali e processi. I metodi digitali offrono qui la possibilità di accelerare i processi di sviluppo. Attraverso simulazioni e calcoli delle relazioni struttura-proprietà, è possibile escludere precocemente varianti inadatte e identificare con precisione candidati promettenti. Tuttavia, i processi sottostanti sono altamente complessi: la descrizione completa della dinamica di sistemi di molte particelle quantistiche richiede, anche con gli attuali supercomputer, tempi di calcolo estremamente lunghi. Il calcolo quantistico potrebbe, ad esempio, accelerare notevolmente la ricerca di magneti ad alte prestazioni particolarmente risparmiosi di risorse («rare-earth-lean magnets» o «gap magnets») e esplorare lo spazio dei materiali in profondità finora irraggiungibile.

Calcolo quantistico – esplorare lo spazio dei materiali in modo più rapido e completo

Algorithmiq è un'azienda di calcolo quantistico di Milano, specializzata nello sviluppo di algoritmi quantistici nativi per la ricerca di farmaci e la simulazione di molecole. L'obiettivo principale è calcolare le proprietà e la dinamica delle molecole in modo molto più preciso ed efficiente rispetto alle simulazioni classiche (ad esempio, chimica quantistica classica, simulazioni dinamiche molecolari). Per far funzionare gli algoritmi quantistici, specificamente adattati alle questioni di chimica e scienze della vita, già oggi, anche su computer quantistici imperfetti, il team utilizza metodi ibridi, in cui un computer classico e uno quantistico collaborano: il computer quantistico calcola effetti quantistici particolarmente complessi nelle molecole, mentre il computer classico gestisce l'ottimizzazione e l'analisi. I metodi sono progettati per sfruttare le strutture e le leggi tipiche della chimica, fornendo affermazioni affidabili su molecole e proprietà nonostante gli errori hardware.

Ora, gli scienziati vogliono estendere questo concetto di calcolo quantistico, finora impiegato principalmente nel settore delle scienze della vita, che nel aprile scorso è stato premiato con un riconoscimento di 2 milioni di dollari dalla Wellcome Leap Organization per «la prima dimostrazione di un flusso di lavoro quantistico-classico continuo per la simulazione di terapie complesse e l'apertura di una credibile via verso un vantaggio quantistico a breve termine nel settore delle scienze della vita», alla sviluppo di materiali chimici. A tal fine, l'azienda ha stretto una partnership strategica con il Fraunhofer ISC, che mette a disposizione la propria expertise nella sintesi e digitalizzazione di materiali chimici.

Risolvere problemi complessi in modo più efficiente

«Inizialmente, con le simulazioni possiamo identificare più facilmente le zone bianche nel nostro spazio dei materiali – cioè materiali che non cercavamo necessariamente, ma le cui proprietà possono essere promettenti», spiega la prof.ssa Miriam Unterlass, direttrice dell'Istituto Fraunhofer ISC, gli obiettivi della collaborazione. Un altro obiettivo è comprendere meglio lo spazio dei materiali attraverso simulazioni e trovare soluzioni nuove più rapidamente. «Anche in futuro, avremo bisogno della creatività di ricercatrici e ricercatori per creare innovazioni socialmente rilevanti. Tuttavia, gli strumenti diventeranno digitali, e accanto alla sintesi reale, il gemello digitale acquisterà grande importanza, permettendo di prevedere la sintesi dei materiali, le proprietà dei prodotti e il recupero tramite riciclo lungo l'intero ciclo di vita del prodotto, senza dover ripercorrere ogni singolo passaggio di laboratorio.»

Incorporare i computer quantistici nella risoluzione di compiti così complessi rappresenta quindi un passo importante verso uno sviluppo più rapido dei materiali. La prof.ssa Sabrina Maniscalco, CEO e cofondatrice di Algorithmiq, aggiunge: «Per troppo tempo, il discorso globale sul calcolo quantistico si è concentrato quasi esclusivamente sull'hardware. Ma l'hardware da solo non basta. Senza progressi sostanziali negli algoritmi e nel software, i computer quantistici rischiano di rimanere impressionanti dal punto di vista scientifico, senza offrire un reale valore industriale. In Algorithmiq, stiamo costruendo lo strato algoritmico che rende i computer quantistici effettivamente utili – per chimica, scienze della vita, nuovi materiali e oltre.»

Nel giugno 2026, i partner Algorithmiq e Fraunhofer ISC si incontreranno a livello di direzione per discutere dei primi progetti comuni e della loro direzione.