Algorithmiq en Fraunhofer ISC werken in de toekomst samen aan kwantumcomputing voor materiaalkunde

© Algorithmiq

Prof. Miriam Unterlass (links) en Prof. Sabrina Maniscalco (rechts) bundelen onderzoeksinspanningen om quantumcomputing in de materiaalkunde toepasbaar te maken. © K. Wolf / Algorithmiq

Betaalbare geneeskunde, stijgende energieprijzen, afhankelijkheid van strategische grondstofbronnen: Voor veel actuele vraagstukken spelen nieuwe materialen een centrale rol. Klassieke methoden voor materiaalontwikkeling zijn echter tijdrovend en vereisen vaak vele jaren. Het Fraunhofer-Instituut voor Silicaatonderzoek werkt daarom aan versnelde ontwikkelingsbenaderingen („Materials Acceleration“) op basis van digitale methoden, machinaal leren en Kunstmatige Intelligentie (AI). Extra versnellingspotentieel en een bredere verkenning van de materiaalkruimte worden verwacht bij het gebruik van kwantumcomputers. Met het Italiaanse bedrijf Algorithmiq, dat over erkende expertise in kwantumcomputing beschikt, heeft het Fraunhofer ISC hierover een Memorandum of Understanding (MoU) ondertekend voor verdere samenwerking.

De Lotus-metafoor illustreert de weg naar een bruikbare kwantumvoordeel. De binnenste bloembladen staan voor drie voorwaarden die gelijktijdig vervuld moeten worden: uitvoerbaarheid op huidige hardware, relevantie voor het onderzoeken van de materiële ruimte en validatie ten opzichte van modernste klassieke methoden onder eerlijke ressourcentoewijzingen. De buitenste bloembladen staan voor inzet, integratie en schaalbaarheid. Deze zijn essentieel om vooruitgang in de praktijk te brengen en kunnen systematisch worden ontwikkeld. In een echte lotusbloem bevat de centrale structuur de zaden, waaruit nieuwe bloemen kunnen groeien. In die zin beschouwen wij deze kern als generatief, in staat om na zijn vestiging diverse toepassingen te ondersteunen, en kijken ernaar uit om dit idee in de materiaalforschung te integreren. © Algorithmiq

Het Fraunhofer ISC beschikt over uitgebreide ervaring in de chemische synthese van zeer verschillende materialen. Klassieke laboratoriumsynthetese is echter tijdrovend: voor een nieuwe materiaalbenadering zijn talloze proefseries nodig voordat de gewenste materiaaleigenschappen en verwerkingskenmerken zijn bereikt. Digitale methoden bieden hier de mogelijkheid om ontwikkelingsprocessen te versnellen. Door simulaties en berekeningen van structuur-eigenschap-relaties kunnen ongeschikte varianten vroegtijdig worden uitgesloten en veelbelovende kandidaten doelgericht worden geïdentificeerd. De onderliggende processen zijn echter zeer complex: de volledige beschrijving van de dynamiek van kwantummechanische veeldeeltjesystemen vereist, zelfs op moderne high-performance computers, vaak extreem lange rekentijden. Kwantumcomputing zou bijvoorbeeld het zoeken naar bijzonder energie-efficiënte hoogvermogenmagneten („rare-earth-lean magnets“ of „gap magnets“) aanzienlijk kunnen versnellen en de materiaalkruimte in voorheen onbereikbare diepten kunnen ontsluiten.

Kwantumcomputing – de materiaalkruimte sneller en uitgebreider ontsluiten

Algorithmiq is een kwantumcomputing-bedrijf uit Milaan dat zich specialiseert in het ontwikkelen van quantum-native algoritmen voor geneesmiddelenonderzoek en molekuulsimulatie. Kernpunt is om eigenschappen en dynamiek van moleculen veel nauwkeuriger en efficiënter te berekenen dan mogelijk is met klassieke simulaties (bijvoorbeeld klassieke kwantumchemie, moleculairdynamische simulaties). Om de speciaal voor chemie- en life sciences-vraagstukken aangepaste kwantumalgoritmen al te laten werken op de huidige, nog foutgevoelige kwantumcomputers, maakt het team gebruik van hybride methoden waarbij een klassieke computer en een kwantumcomputer samenwerken: de kwantumcomputer berekent bijzonder moeilijke kwantumeffecten in moleculen, de klassieke computer stuurt de optimalisatie en evaluatie aan. De methoden zijn zo opgebouwd dat ze typische structuren en wetmatigheden uit de chemie benutten om, ondanks hardwarefouten, zo betrouwbaar mogelijk uitspraken te doen over moleculen en hun eigenschappen.

De onderzoekers willen hun tot nu toe vooral in de life sciences toegepaste kwantumcomputing-concept, dat in april werd bekroond met een prijs van $2 miljoen van de Wellcome Leap-organisatie voor „de eerste demonstratie van een doorlopend kwantum-klassiek werkproces voor het simuleren van complexe therapieën en daarmee het openen van een geloofwaardige weg naar een kortetermijn kwantumvoordeel in de life sciences“, doelgericht uitbreiden naar de chemische materiaalkontwikkeling. Daartoe is het bedrijf een strategisch partnerschap aangegaan met het Fraunhofer ISC, dat zijn knowhow op het gebied van chemische materiaalsynthese en -digitalisering inbrengt.

Complexe problemen efficiënter oplossen

„Allereerst kunnen we met simulaties onze witte vlekken in de materiaalkruimte eenvoudiger identificeren – dus materialen die we niet per se gezocht hebben, maar waarvan de eigenschappen veelbelovend kunnen zijn“, legt Prof. Dr. Miriam Unterlass, directeur van het Fraunhofer ISC, uit over de doelen van de samenwerking. Een ander doel is om de materiaalkruimte beter te begrijpen door middel van simulaties en zo sneller nieuwe oplossingen te vinden. „Ook in de toekomst hebben we de creativiteit van onderzoekers nodig om maatschappelijk relevante innovaties te creëren. Maar het gereedschap wordt digitaler, en naast de echte synthese krijgt de digitale tweeling een grote betekenis, waarmee materiaal-synthese, producteigenschappen en recycling over de volledige levenscyclus van een product kunnen worden voorspeld, zonder elke laboratoriumstap afzonderlijk te hoeven volgen.“

De inzet van kwantumcomputers bij het oplossen van dergelijke complexe taken is daarom een belangrijke stap naar versnelde materiaalkontwikkeling. Prof. Dr. Sabrina Maniscalco, CEO en medeoprichter van Algorithmiq, voegt toe: „Te lang heeft de wereldwijde discussie over kwantumcomputing zich bijna uitsluitend op de hardware gericht. Maar hardware alleen is niet genoeg. Zonder belangrijke vorderingen in algoritmen en software dreigen kwantumcomputers wetenschappelijk indrukwekkend te blijven zonder echte industriële meerwaarde te leveren. Bij Algorithmiq bouwen we de algoritmische laag die kwantumcomputers daadwerkelijk nuttig maakt – voor chemie, life sciences, nieuwe materialen en daarbuiten.“

In juni 2026 ontmoeten de partners Algorithmiq en Fraunhofer ISC elkaar op leidingniveau om te overleggen over de eerste gezamenlijke projecten en hun richting.