Algorithmiq i Fraunhofer ISC będą współpracować w przyszłości w zakresie obliczeń kwantowych dla rozwoju materiałów

Quantum-Advantage-Algorithmiq-620x500_16-9

Prof. Miriam Unterlass (z lewej) i Prof. Sabrina Maniscalco (z prawej) łączą siły badawcze, aby uczynić obliczenia kwantowe użytecznymi w badaniach materiałowych. © K. Wolf / Algorithmiq

Przystępna medycyna, wzrost cen energii, uzależnienie od strategicznych źródeł surowców: dla wielu aktualnych zagadnień nowe materiały odgrywają kluczową rolę. Klasyczne metody rozwoju materiałów są jednak czasochłonne i często wymagają wielu lat. Instytut Fraunhofer ds. Badań nad Silikatami pracuje więc nad przyspieszonymi podejściami do rozwoju („Materials Acceleration”) opartymi na metodach cyfrowych, uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji (SI). Dodatkowe potencjały przyspieszenia oraz szersze wykorzystanie przestrzeni materiałowej oczekuje się w zastosowaniu komputerów kwantowych. W tym celu Fraunhofer ISC podpisał porozumienie o współpracy (MoU) z włoską firmą Algorithmiq, posiadającą wykwalifikowaną wiedzę w zakresie komputerów kwantowych.

Fraunhofer ISC posiada bogate doświadczenie w chemicznym syntezowaniu bardzo różnych materiałów. Klasyczne syntezy laboratoryjne są jednak czasochłonne: dla nowego podejścia materiałowego konieczne jest przeprowadzenie wielu serii prób, zanim osiągnięte zostaną pożądane właściwości materiału i obróbki. Metody cyfrowe oferują tutaj możliwość przyspieszenia procesów rozwojowych. Dzięki symulacjom i obliczeniom relacji struktura-właściwości można wcześnie wykluczyć nieodpowiednie warianty i celowo zidentyfikować obiecujących kandydatów. Podstawowe procesy są jednak wysoce złożone: pełny opis dynamiki kwantowych układów wielocząstkowych wymaga, nawet na dzisiejszych superwydajnych komputerach, ekstremalnie długich czasów obliczeń. Komputery kwantowe mogą na przykład znacznie przyspieszyć poszukiwania szczególnie oszczędnych energetycznie materiałów magnetycznych („rare-earth-lean magnets” lub „gap magnets”) i umożliwić dostęp do dotąd nieosiągalnej przestrzeni materiałowej.

Komputery kwantowe – szybsze i bardziej wszechstronne odkrywanie przestrzeni materiałowej

Algorithmiq to firma z Mediolanu specjalizująca się w opracowywaniu kwantowo-natywnych algorytmów dla badań nad lekami i symulacji molekularnej. Głównym celem jest dokładniejsze i bardziej efektywne obliczanie właściwości i dynamiki cząsteczek, niż jest to możliwe przy użyciu klasycznych symulacji (np. klasyczna chemia kwantowa, symulacje dynamiki molekularnej). Aby algorytmy kwantowe dostosowane do zagadnień chemicznych i nauk o życiu działały już na dzisiejszych, jeszcze błędnych komputerach kwantowych, zespół korzysta z metod hybrydowych, w których współpracują komputer klasyczny i kwantowy: komputer kwantowy oblicza szczególnie trudne efekty kwantowe w cząsteczkach, a komputer klasyczny kieruje optymalizacją i analizą wyników. Metody te są tak skonstruowane, aby wykorzystywać typowe struktury i prawidłowości chemiczne, zapewniając jak najbardziej wiarygodne informacje o cząsteczkach i ich właściwościach, mimo błędów sprzętowych.

Obecnie naukowcy chcą rozszerzyć swoje dotychczasowe, głównie w dziedzinie nauk o życiu, koncepcje komputerów kwantowych, które w kwietniu zostały wyróżnione nagrodą o wartości 2 milionów dolarów od organizacji Wellcome Leap za „pierwszą demonstrację ciągłego kwantowo-klasycznego procesu symulacji złożonych terapii i tym samym otwarcie wiarygodnej drogi do krótkoterminowej przewagi kwantowej w naukach o życiu”. W tym celu firma nawiązała strategiczne partnerstwo z Fraunhofer ISC, które wnosi swoją wiedzę w zakresie chemicznej syntezy i digitalizacji materiałów.

Rozwiązywanie złożonych problemów w sposób bardziej efektywny

„Na początku symulacje pozwalają nam łatwiej zidentyfikować tzw. białe plamy w przestrzeni materiałowej – czyli materiały, których nie szukaliśmy bezpośrednio, ale które mogą mieć obiecujące właściwości” – wyjaśnia prof. dr Miriam Unterlass, dyrektorka instytutu Fraunhofer ISC, cele współpracy. Kolejnym celem jest lepsze zrozumienie przestrzeni materiałowej poprzez symulacje i szybsze znajdowanie nowych rozwiązań. „Także w przyszłości potrzebna będzie kreatywność naukowców do tworzenia społecznie istotnych innowacji. Jednak narzędzia cyfrowe będą odgrywać coraz większą rolę, a oprócz rzeczywistej syntezy, cyfrowy bliźniak będzie miał duże znaczenie, umożliwiając przewidywanie syntezy materiałów, właściwości produktów i odzysku przez recykling na całym cyklu życia produktu, bez konieczności śledzenia każdego pojedynczego kroku laboratoryjnego.”

Włączenie komputerów kwantowych do rozwiązywania tak złożonych zadań jest więc ważnym krokiem ku przyspieszonemu rozwojowi materiałów. Prof. dr Sabrina Maniscalco, CEO i współzałożycielka Algorithmiq, dodaje: „Zbyt długo globalny dyskurs na temat komputerów kwantowych koncentrował się niemal wyłącznie na sprzęcie. Jednak sam sprzęt nie wystarczy. Bez znaczących postępów w algorytmach i oprogramowaniu komputery kwantowe mogą pozostać imponującym naukowo narzędziem, ale bez realnej wartości przemysłowej. W Algorithmiq budujemy warstwę algorytmiczną, która faktycznie czyni komputery kwantowe użytecznymi – dla chemii, nauk o życiu, nowych materiałów i nie tylko.”

W czerwcu 2026 roku partnerzy Algorithmiq i Fraunhofer ISC spotkają się na poziomie kierowniczym, aby omówić pierwsze wspólne projekty i ich kierunek.