Kvanteteknologi

Kvantespring mod smartere kemikaliefremstilling

DTU samarbejder med en af verdens førende virksomheder om at udnytte kvanteinspirerede algoritmer i fremstillingen af kemikalier. Målet er at gøre det hurtigere og billigere at bringe nye kemikalier på markedet og at opnå ny viden, der kan anvendes i fremstillingen af andre produkter.

To mennesker i laboratoriekitler arbejder i forsøgshallen Pilot Plant på DTU. — Forskere og studerende samt nye og veletablerede virksomheder kommer til DTU’s Pilotanlæg for at teste, om deres ideer kan skaleres op og blive kommercielt levedygtige. Fotos: Jørgen True

fredag 23 juni 2023

Miriam Meister

Det kan være både tidskrævende og dyrt at opskalere en idé, der er blevet demonstreret i laboratoriet, til også at kunne anvendes i en storskala produktion. For selvom processen fungerer fejlfrit i et kontrolleret eksperiment, kan den sjældent overføres direkte til kommerciel skala.

Der vil oftest være behov for omfattende, dyre og tidskrævende eksperimenter for at tilpasse processer og metoder, før man opnår det samme resultat uden for laboratoriet.

”Industrielle procesanlæg opererer på flere niveauer – lidt ligesom vores kroppe. Hvis jeg for eksempel har ondt i hovedet, kan årsagen være en bakterie i tarmen,” forklarer lektor på DTU Seyed Soheil Mansouri og fortsætter:

”Konceptet er det samme inden for biotekindustrien. Når vi støder på et problem i processen, findes løsningen muligvis et helt andet sted. Så vi har brug for at få indblik i, hvordan disse forskellige niveauer – helt fra molekylær- eller atomarskala til produktionsskala – interagerer med og påvirker hinanden.”

Færre unødvendige eksperimenter

DTU råder over et avanceret pilotanlæg, som bruges til at gøre idéer, der involverer kemiske og biologiske processer, til kommerciel virkelighed. I pilotanlægget kan brugerne teste, validere og kvalificere strategier, indtil problemerne er løst, og idéen er klar til kommerciel brug.

For at undgå unødvendige tests benytter brugerne modellering til at pejle sig nærmere ind på de områder, der sandsynligvis er skyld i problemerne. ”I stedet for at skulle udføre eksperiment efter eksperiment efter eksperiment og fejle og fejle og fejle, fordi man ikke går strategisk til problemet, så har vi en mere avanceret tilgang,” forklarer Seyed Soheil Mansouri.

I et nyt projekt vil DTU-forskere samarbejde med de amerikanske AI-eksperter Zapata Computing om at undersøge, hvordan brugen af kvanteinspirerede algoritmer (se forklaring nedenfor) kan bringe en idé på markedet billigere og hurtigere ved effektivt at lokalisere de mulige problemområder og dermed undgå for mange unødvendige eksperimenter.

”Ved at kombinere vores viden om kemiske og biologiske processer med Zapatas ekspertise inden for avancerede computerberegninger, sigter vi mod at udvikle mere avancerede algoritmer, der kan tackle de problemer, vi ikke kan tackle i dag,” siger Seyed Soheil Mansouri.

fakta

Om kvanteinspirerede algoritmer

Kvanteinspirerede algoritmer er baseret på matematik, som fysikere har introduceret for at kunne simulere komplekse kvantesystemer. De involverer ofte meget komplekse konstruktioner , der effektivt kan repræsentere korrelationer mellem variable.

I modsætning til egentlige kvantealgoritmer, så kan kvanteinspirerede algoritmer køre på sædvanlige computere, men kan også tilpasses, så de kan køre på fremtidens kvantecomputere. Dette vil fremskynde sammenkoblingen mellem high performance computing og kvantecomputere.

En af de udbredte anvendelser af kvanteinspirerede algoritmer er i modeller til risikoanalyse inden for finanssektoren. Modellerne kræver typisk omfattende såkaldte Monte Carlo-simuleringer for at behandle et enormt antal scenarier, og det kræver meget computerkraft at få det nødvendige indblik hurtigt og præcist. En hurtig eksekvering af modellerne er vigtig for at kunne træffe kritiske beslutninger, som påvirker, hvordan en finansiel institution opererer.

Senest er kvanteinspirerede algoritmer blevet brugt til at løse optimeringsproblemer, herunder særligt kvanteinspirerede generative modeller. I et nyligt projekt med BMW demonstrerede Zapata fordelene ved sådanne modeller ved at anvende dem på et planlægningsproblem i produktionen. I projektets forskningsfase genererede en kvanteinspireret generativ model nye løsninger, der i 71% af tilfældene var bedre end eller mindst lige så gode som løsninger opnået med traditionelle optimeringsalgoritmer.

Denne tilgang fungerede særligt godt for problemer med det bredeste udvalg af løsningsmuligheder, hvilket tyder på, at kvanteinspirerede algoritmer kan være et effektivt værktøj til mere komplekse optimeringsproblemer.

En revolutionerende tilgang

Zapata Computing er opkaldt efter manden, der startede den mexicanske revolution – og når man lytter til CEO Christopher Savoie, fornemmer man straks, at hans virksomhed deler Zapatas iver efter at skabe radikale forandringer:

”De fleste administrerende direktører for en teknologivirksomhed vil sige, at deres teknologi kommer til at forandre verden. Og det er uanset, om de sælger en datingapp eller noget andet. Derfor gør det faktisk også lidt ondt at sige disse ord højt, men jeg tror rent faktisk på, at det her vil føre til håndgribelige og væsentlige forandringer på områder, der betyder noget for os.”

Man behøver ikke at have en kvantecomputer for at arbejde med kvanteinspirerede algoritmer. De algoritmer, som partnerskabet sigter mod at udvikle, har imidlertid potentiale til at kunne overføres til kvantecomputere, når og i takt med at de bliver tilgængelige.

”Vores tilgang i det her projekt giver os nogle fordele her og nu, som gør det muligt at foretage flere beregninger på kortere tid,” forklarer Christopher Savoie.

I projektet vil partnerne arbejde baglæns i den forstand, at de tager problemer, der allerede er løst på konventionel vis, og tester, om kvantetilgangen giver en fordel ved at gøre opskaleringsprocessen hurtigere og billigere eller ved at reducere de omkostninger, der er forbundet med eksperimenterne.

”Vi vil anse det som en succes, hvis vi kan finde ét problem, hvor vi kan lykkes med at demonstrere, at vi ved hjælp af kvanteinspirerede algoritme kan sætte yderligere skub i mulighederne for at producere biomolekyler. Det ville være beviset på, at vi er på rette vej,” siger Seyed Soheil Mansouri.

Det treårige samarbejde starter senere i 2023.

Tema

Kvanteteknologi

Kvanteteknologi er et område i stærk vækst. Forskerne på DTU arbejder særligt med tre teknologiområder. Det er kvantekommunikation og datasikkerhed, ultrafølsomme kvantesensorer og udvikling af kvantecomputere. Det sker både med grundforskning og udvikling af teknologier, så de kan anvendes af virksomheder og myndigheder, der i stigende omfang har interesse for området.

Læs mere på temasiden om kvanteteknologi.

Kontakt

Seyed Soheil Mansouri Lektor Telefon: 45252907 seso@kt.dtu.dk