科思创在2021年的销售额超过170亿美元，它的目标是到2035年实现碳中和。图片来源：COVESTRO

周一，总部位于德国的聚合物制造商科思创（Covestro）宣布与总部位于旧金山的量子计算软件开发商QC Ware达成一项为期5年的合作协议，两家公司将共同致力于开发量子计算算法，以改善前者的制造工艺和材料。

科思创创新负责人Torsten Heinemann说：“我们完全相信，量子计算技术将在未来为计算化学家给予决定性的帮助。”

在化学制造和材料科学等行业中，微观系统的微观变化会对行业的宏观发展产生重大影响。因此，计算化学家们的努力方向就是确定微观结构，例如研究电子如何在太阳能电池板中移动。此外，基础设施的细微变化也可能意味着效率的提高，例如它可能会使太阳能发电厂每年的发电量增加几兆瓦。类似地，一个化学反应的催化剂中几个分子的差异可能意味着该反应可以在低几度的温度下发生——而这可以为制造商节省数千甚至数百万美元的成本。

但这种化学研究的挑战在于，它必须在量子层面上进行，而这个层面上的数学计算是如此复杂，即使是超级计算机也很难处理。这就产生了一种权衡，即能够及时设计材料或工艺就意味着能简化数学模型和模拟量子系统。模型越简化，计算机处理它的速度就越快——但这是以制造质量和效率为代价的。

这也成为了量子计算的切入点。因为这些系统利用量子过程来创造计算能力，因此它们具有不需要近似的模拟化学的潜力。“量子化学在量子计算机上做起来非常自然，”QC Ware的化学模拟负责人Rob Parrish解释说。他也是2015年《福布斯》30 Under 30榜单科学领域的上榜者。“原因是你试图在另一个量子系统中制造一个量子系统的二重身，所以它的映射效果确实很好。”

科思创和QC Ware在过去的一年里合作进行了一项概念验证，用于对工业应用中产生分子的反应类型进行建模。这项工作催生了两篇论文，一篇展示了使用更少的量子计算资源进行模拟的新技术，另一篇则开发了一种计算能量梯度的新方法。这些梯度也被制造商用来模拟有用的化学过程。

Parrish说，目前现有的量子计算硬件没有能力运行这两家公司感兴趣的一些大型模拟，但这次合作的目的是让软件和算法准备好，以迎接它们的到来。

他补充说：“我们的计划是，在五年内将其部署在目前最好的近期量子计算机上，而这是一个将包含许多独立研究流的事情。”

Heinemann则解释说，在短期内，科思创希望将这些新技术应用到依赖催化反应的化学制造过程中，这些过程用现在正在开发的量子硬件进行模拟应该会更容易，并有望在几年内实现。通过改进这些类型的化学反应，科思创希望产生一个更有效的生产工艺，以及更少的废物。他补充说：“这意味着产出更多，我们生产的产品中化学反应的质量更高，以及工厂的能源消耗也更少。”

科思创和QC Ware将研究的第二个项目是可循环制造业的可能性。该公司预计，全球将推出更多的立法，使聚合物和其他材料能够被回收，并被制成它们原来的组件，而不是被扔进垃圾填埋场或焚烧。Heinemann说：“量子计算可以成为这里的一个关键的推动因素。”

从长远来看，两家公司都认为，随着量子计算硬件的成熟，它将能够推动更复杂的模拟，为产品制造创造新的可能性。对科思创来说，一个机会是在可再生能源领域，量子计算可以帮助设计更好的太阳能电池板和电池系统。对于QC Ware来说，这意味着它开发的量子软件和算法可以卖给其他材料制造商，并为药物研发等其他应用提供基础。

QC Ware的联合创始人兼首席执行官Matt Johnson说：“我们已经达成了一项互惠互利的协议，这对他们来说，可以让他们在量子信息和量子计算方面取得进展，而且可以在公司内部使用这项技术开发产品，并向市场销售。”

Heineman则补充说：“我认为，与QC Ware的合作和伙伴关系展示了全球网络的研发工作方式。这意味着我们正在汇集正确的专业知识，并量身打造我们之间的合作，以推动共同目标的实现。”