Un salto quantico in una nuova era della ricerca sui materiali

Il Fraunhofer ISC vanta una vasta esperienza nella sintesi chimica di un'ampia gamma di ma-teriali. Tuttavia, le classiche sintesi di laboratorio richiedono molto tempo: lo sviluppo di un nuovo approccio ai materiali richiede numerosi esperimenti prima di ottenere le proprietà desiderate. I metodi digitali offrono una via per uno sviluppo più rapido. Grazie alla simulazione e al calcolo delle relazioni struttura-proprietà, è possibile escludere precocemente i candidati inadatti e identificare in modo più efficiente le opzioni di materiali promettenti. I processi sottostanti sono molto complessi: descrivere completamente la dinamica dei sistemi quantistici a molti corpi richiede spesso tempi di calcolo estremamente lunghi, anche sui supercomputer di oggi. Il calcolo quantistico potrebbe, ad esempio, accelerare notevolmente la ricerca di materiali magnetici ad alte prestazioni efficienti dal punto di vista delle risorse ("magneti a terre rare" o "magneti gap") e consentire un'esplorazione dello spazio dei materiali più approfondita che mai.

Calcolo quantistico - accelerare l'esplorazione dello spazio dei materiali

Algorithmiq è una società di calcolo quantistico con sede a Milano, specializzata nello sviluppo di algoritmi nativi quantistici per la scoperta di farmaci e la simulazione molecolare. Il suo obiettivo principale è quello di calcolare le proprietà e le dinamiche molecolari in modo molto più accurato ed efficiente di quanto sia possibile con le simulazioni classiche (ad esempio, la chimica quantistica classica o le simulazioni di dinamica molecolare). Per garantire che questi algoritmi quantistici - adattati a questioni chimiche e di scienze della vita - funzionino sui computer quantistici imperfetti di oggi, il team impiega approcci ibridi in cui un computer classico e un computer quantistico collaborano: il processore quantistico gestisce i difficili effetti quantistici nelle molecole, mentre il computer classico supervisiona l'ottimizzazione e l'analisi dei dati. I metodi sono progettati per sfruttare gli schemi tipici della chimica e produrre intuizioni affidabili nonostante gli errori hardware.

Il concetto di calcolo quantistico orientato alle scienze della vita di Algorithmiq ha vinto in aprile un premio Well-come Leap da 2 milioni di dollari per "la prima dimostrazione di un flusso di lavoro completamente quantistico-classico per simulare terapie complesse e aprire così un percorso credibile verso un vantaggio quantistico a breve termine nel campo delle scienze della vita". Il team intende ora applicare questo concetto allo sviluppo di materiali chimici. A tal fine, ha avviato una partnership strategica con Fraunhofer ISC, sfruttando le competenze di quest'ultimo nella sintesi e nella digitalizzazione dei materiali chimici.

Risolvere problemi complessi in modo più efficiente

"In primo luogo, le simulazioni possono aiutare a identificare più facilmente i nostri 'punti bianchi' nello spazio dei materiali - materiali che forse non abbiamo cercato esplicitamente, ma le cui proprietà potrebbero essere molto promettenti", spiega la Prof.ssa Miriam Unterlass, direttore del Fraunhofer ISC, illustrando gli obiettivi della collaborazione. Un altro obiettivo è quello di comprendere meglio lo spazio dei materiali attraverso le simulazioni e di trovare nuove soluzioni più rapidamente. "Anche in futuro avremo bisogno della creatività dei ricercatori per promuovere innovazioni rilevanti per la società. Tuttavia, il kit di strumenti diventerà sempre più digitale e, accanto alla sintesi del mondo reale, il gemello digitale acquisterà grande importanza, consentendo di prevedere la sintesi dei materiali, le proprietà dei prodotti e gli esiti del riciclaggio lungo l'intero ciclo di vita del prodotto senza dover tracciare ogni fase di laboratorio." L'integrazione dei computer quantistici nella risoluzione di compiti così complessi è quindi un passo importante per accelerare lo sviluppo dei materiali. La Prof.ssa Sabrina Maniscalco, CEO e co-fondatrice di Algorithmiq, aggiunge: "Per troppo tempo, la conversazione globale sul quan-tum si è concentrata quasi esclusivamente sull'hardware. Ma l'hardware da solo non basta. Senza importanti progressi negli algoritmi e nel software, i computer quantistici rischiano di rimanere scientificamente impressionanti senza fornire un valore industriale significativo. Noi di Algorithmiq stiamo costruendo il livello algoritmico che rende i computer quantistici effettivamente utili per la chimica, le scienze della vita, i nuovi materiali e altro ancora".

I partner Algorithmiq e Fraunhofer ISC si incontreranno a livello di leadership nel giugno 2026 per discutere i primi progetti comuni e la loro direzione.