Mit Quantencomputing weiße Flecken im Materialraum identifizieren
Algorithmiq und Fraunhofer ISC arbeiten am „Quantensprung in eine neue Ära der Materialforschung“.
Bezahlbare Medizin, Energieverteuerung, Abhängigkeit von strategischen Rohstoffquellen: Für viele aktuelle Fragestellungen spielen neue Materialien eine zentrale Rolle. Klassische Wege der Materialentwicklung sind jedoch zeitaufwändig und erfordern häufig viele Jahre. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung arbeitet daher an beschleunigten Entwicklungsansätzen („materials acceleration“) auf Basis digitaler Methoden, maschinellen Lernens und Künstlicher Intelligenz (KI). Zusätzliche Beschleunigungspotenziale sowie eine umfassendere Erschließung des Materialraums werden im Einsatz von Quantencomputern erwartet. Mit dem italienischen Unternehmen Algorithmiq, das über ausgewiesene Expertise im Quantencomputing verfügt, hat das Fraunhofer ISC hierzu ein Memorandum of Understanding (MoU) zur weiteren Zusammenarbeit unterzeichnet.
Das Fraunhofer ISC verfügt über umfangreiche Erfahrung in der chemischen Synthese sehr unterschiedlicher Materialien. Klassische Laborsynthesen sind jedoch zeitaufwändig: Für einen neuen Materialansatz sind zahlreiche Versuchsreihen nötig, bis die gewünschten Material- und Verarbeitungseigenschaften erreicht sind. Digitale Methoden bieten hier die Möglichkeit, Entwicklungsprozesse zu beschleunigen. Durch Simulationen und Berechnungen von Struktureigenschaftsbeziehungen lassen sich ungeeignete Varianten frühzeitig aussortieren und vielversprechende Kandidaten gezielt identifizieren. Die zugrunde liegenden Vorgänge sind jedoch hochkomplex: Die vollständige Beschreibung der Dynamik quantenmechanischer Vielteilchensysteme erfordert selbst auf heutigen Hochleistungscomputern oft extrem lange Rechenzeiten. Quantencomputing könnte beispielsweise die Suche nach besonders ressourcenschonenden Hochleistungsmagnetmaterialien („rare-earth-lean magnets“ oder „gap magnets“) erheblich beschleunigen und den Materialraum in bislang unerreichter Tiefe erschließen.
Algorithmiq ist ein Quantencomputing-Unternehmen aus Mailand, das sich darauf spezialisiert, Quantum-native Algorithmen für die Wirkstoffforschung und Molekülsimulation zu entwickeln. Kernziel ist dabei, Eigenschaften und Dynamik von Molekülen sehr viel genauer und effizienter zu berechnen, als es mit klassischen Simulationen (z.B. klassische Quantenchemie, molekulardynamische Simulationen) möglich ist. Damit die speziell für Chemie- und Life-Science-Fragestellungen zugeschnittenen Quantenalgorithmen schon auf heutigen, noch fehlerbehafteten Quantencomputern funktionieren, setzt das Team auf hybride Verfahren, bei denen ein klassischer Computer und ein Quantencomputer zusammenarbeiten: Der Quantencomputer berechnet besonders schwierige Quanteneffekte in Molekülen, der klassische Rechner steuert die Optimierung und Auswertung. Die Methoden sind so aufgebaut, dass sie typische Strukturen und Gesetzmäßigkeiten aus der Chemie ausnutzen, um trotz Hardwarefehlern möglichst verlässliche Aussagen über Moleküle und ihre Eigenschaften zu liefern.
Nun möchten die Forscher ihr bislang vor allem im Life-Science-Bereich eingesetztes Quantencomputing-Konzept, das im April mit einem mit 2-Millionen-Dollar dotierten Preis der Wellcome Leap Organisation für „die erstmalige Demonstration eines durchgängig quantenklassischen Arbeitsablaufs zur Simulation komplexer Therapien und damit die Eröffnung eines glaubwürdigen Weges zu einem kurzfristigen Quantenvorteil im Life-Science Bereich“ ausgezeichnet wurde, gezielt auf die chemische Materialentwicklung ausweiten. Dazu ist das Unternehmen eine strategische Partnerschaft mit dem Fraunhofer ISC eingegangen, das sein Knowhow im Bereich der chemischen Materialsynthese und -digitalisierung einbringt.
„Zunächst lassen sich mit Simulationen unsere weißen Flecken im Materialraum einfacher identifizieren – also Materialien, die wir zwar nicht unbedingt gesucht haben, deren Eigenschaften aber vielversprechend sein können“, erläutert Miriam Unterlass, Institutsleiterin des Fraunhofer ISC und Professorin für Materialsynthese an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, die Ziele der Zusammenarbeit. Ein weiteres Ziel ist es, den Materialraum durch Simulationen besser zu verstehen und neue Lösungen schneller zu finden. „Auch in Zukunft brauchen wir die Kreativität von Forscherinnen und Forschern, um gesellschaftlich relevante Innovationen zu schaffen. Doch das Handwerkszeug wird digitaler, und neben der realen Synthese wird der digitale Zwilling eine große Bedeutung gewinnen, mit dem sich Materialsynthese, Produkteigenschaften und Rückgewinnung durch Recycling über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg vorhersagen lassen, ohne jeden einzelnen Labor-Schritt nachvollziehen zu müssen.“ Die Einbindung von Quantencomputern bei der Lösung solch komplexer Aufgaben ist deshalb ein wichtiger Schritt hin zu einer beschleunigten Materialentwicklung.
Sabrina Maniscalco, CEO und Mitgründerin von Algorithmiq und Physik-Professorin in Finnland, ergänzt: „Zu lange konzentrierte sich der globale Diskurs rund um Quantencomputing fast ausschließlich auf die Hardware. Doch Hardware allein genügt nicht. Ohne wesentliche Fortschritte bei Algorithmen und Software drohen Quantencomputer wissenschaftlich beeindruckend zu bleiben, ohne echten industriellen Mehrwert zu liefern. Bei Algorithmiq bauen wir die algorithmische Schicht, die Quantencomputer tatsächlich nützlich macht – für Chemie, Life Sciences, neue Materialien und darüber hinaus.“ [FhISC / dre]
