Dentro brevemente
- O white paper da SandboxAQ e da EY destaca o potencial transformador da IA e da tecnologia de inspiração quântica na aceleração da descoberta, normalmente um processo lento e caro.
- Simulações orientadas por IA, combinadas com mecânica quântica, permitem previsões mais rápidas e precisas do comportamento dos materiais, reduzindo a necessidade de testes laboratoriais dispendiosos.
- Ferramentas de inspiração quântica democratizam a pesquisa de materiais, permitindo que pequenas empresas concorram em inovação e enfrentem desafios como degradação de baterias, armazenamento de energia e desenvolvimento sustentável.
No complexo mundo da química e dos materiais de investigação, a inovação raramente é rápida ou certa. Descobertas que parecem promissoras em laboratório muitas vezes levam décadas para atingir a viabilidade comercial, dificultadas por longos ciclos de pesquisa e desenvolvimento e testes caros. No entanto, de acordo com um novo documento técnico da SandboxAQ e EY, a inteligência artificial (IA) e as tecnologias de inspiração quântica estão a começar a tomar forma para revolucionar a indústria, acelerando processos de descoberta anteriormente dispendiosos e demorados.
Embora este desenvolvimento abranja uma vasta gama de indústrias, os investigadores da EY e da SandboxAQ afirmam que a intersecção da IA e da computação quântica tem um potencial promissor para o futuro da ciência dos materiais.
O gargalo da descoberta de materiais
Historicamente, algumas grandes empresas e instituições académicas com extensos recursos de investigação e desenvolvimento (I&D) dominaram a inovação. Esses esforços em grande escala exigem grandes investimentos e acesso a poder computacional de alto nível. No entanto, apesar dos seus grandes esforços, este processo tem sido lento e ineficiente há muito tempo. A principal razão para isso é porque prever o comportamento físico em nível atômico envolve uma grande quantidade de dados e simulações, que requerem algoritmos e cálculos complexos.
A mecânica quântica fornece uma estrutura teórica para compreender esse comportamento, mas a energia total necessária para simular sistemas complexos com precisão é uma barreira. Conforme descrito no white paper, esse desafio, conhecido como “problema de informática de materiais”, envolve a dificuldade de modelar e prever as propriedades de novos materiais, dadas suas complexas estruturas e interações moleculares.
A abordagem tradicional, baseada em grande parte na tentativa e erro, está a tornar-se insustentável num mercado dinâmico que exige inovação rápida. É aqui que a IA e a computação quântica entram em cena, proporcionando novas formas de enfrentar os desafios computacionais e operacionais que dificultam a ciência dos materiais.
Simulação baseada em IA encontra Quantum
Embora a IA por si só possa reduzir significativamente o tempo necessário para inovar, combiná-la com simulações de inspiração quântica pode ser potencialmente uma mudança de jogo para as indústrias que procuram permanecer competitivas, de acordo com a equipa da EY e da SandboxAQ. As técnicas de simulação baseadas em IA permitem experimentos in silico (virtuais), evitando a necessidade de experimentos caros e demorados em laboratório. Estas simulações propõem modelos de IA treinados em extensos conjuntos de dados para prever o comportamento de novos materiais, melhorando a precisão e a eficiência do processo.
A computação quântica, embora ainda em seus estágios iniciais de desenvolvimento, adiciona uma camada extra de precisão. De acordo com o white paper, as simulações da mecânica quântica podem simular o comportamento de sistemas quânticos, como moléculas e materiais, em nível subatômico. Esta simulação não é apenas uma teoria; eles fornecem benefícios comerciais tangíveis, melhorando o poder preditivo dos modelos de IA. Esta abordagem híbrida combina o poder da IA e da computação quântica, permitindo às empresas acelerar a descoberta de formas anteriormente inimagináveis.
Por exemplo, a plataforma SandboxAQ combina ferramentas de química quântica com computação de IA para simular a dinâmica molecular. A empresa se refere a Modelos em Grande Escala (LQMs) que geram seus dados de treinamento no ambiente virtual. O sistema incorpora orientação baseada na física em seus sistemas de IA.
O resultado são processos de aquisição mais rápidos e económicos que podem ser executados internamente, tornando estas inovações acessíveis a empresas de todas as dimensões. Com o acesso democratizado a estas ferramentas avançadas, os pequenos intervenientes podem agora competir numa arena outrora dominada por alguns intervenientes internacionais.
Lidando com problemas do mundo real
Um exemplo convincente desta simulação de inspiração quântica vem do campo da pesquisa de baterias. O desenvolvimento de novos materiais de armazenamento de energia, especialmente baterias de iões de lítio, tem sido um desafio, principalmente devido à natureza lenta e dispendiosa da I&D convencional. No entanto, as simulações baseadas em IA, alimentadas pela mecânica quântica, estão acelerando o processo.
Em colaboração com a NVIDIA, a equipe relata que o SandboxAQ usa os princípios da mecânica quântica para simular o comportamento molecular para uso de energia e pesquisa de baterias. Essas simulações permitem aos pesquisadores prever as propriedades físicas e químicas dos materiais, como aqueles usados em células a combustível de óxido sólido (SOFCs) ou baterias de íon-lítio, sem a necessidade de testes físicos iniciais demorados.
De acordo com o white paper, um desafio específico colocado pelo SandboxAQ era prever a degradação da bateria, um fator crítico para melhorar a vida útil e o desempenho dos sistemas de armazenamento de energia. Usando uma rede neural gráfica (GNN) combinada com dados de séries temporais de milhares de células de bateria comerciais, a empresa foi capaz de prever com precisão a degradação do desempenho da bateria. Esse tipo de entendimento permite avaliar materiais eficientes, o que pode levar a melhor desempenho e maior durabilidade de baterias.
O papel das ferramentas inspiradas na quântica no desenvolvimento de inovações
A computação quântica e a IA não estão apenas acelerando a descoberta de materiais; eles também estão mudando a forma como as empresas operam, facilitando a pesquisa interna que antes só era feita por meio de terceirização dispendiosa para laboratórios especializados. Conforme explicado no white paper, uma das principais vantagens desta nova tecnologia é que ela permite às empresas realizar simulações em escala. Isto significa que mesmo as pequenas e médias empresas podem envolver-se em investigação de produtos de alta qualidade sem necessidade de investir em laboratórios ou centros de I&D de alta qualidade.
A plataforma orientada por IA da SandboxAQ é adequada para esse propósito, de acordo com a equipe. Usando técnicas de inspiração quântica, como redes de tensores e kits de ferramentas de química quântica, a plataforma permite que as empresas modelem e simulem o comportamento dos materiais por uma fração do custo e do tempo dos métodos tradicionais. A plataforma pode processar vários conjuntos de dados, prever o design de novos materiais e testar seu desempenho em diversos setores, desde o automotivo até o de energia limpa.
A integração da mecânica quântica em simulações de IA também permite aos pesquisadores explorar regiões anteriormente inacessíveis do espaço químico. Como observa o white paper, os modelos baseados em IA podem analisar rapidamente o comportamento dos objetos até o nível de uma máquina quântica, abrindo novas oportunidades de inovação. Por exemplo, as simulações SandboxAQ de dinâmica molecular levaram à descoberta de novos materiais promissores e materiais para aplicações de energia limpa.
Um futuro impulsionado pela IA e tecnologias quânticas
Aqui está um dos principais temas do white paper: as empresas devem estar abertas para explorar o poder combinado da IA e da computação quântica. A tecnologia não é forte neste momento, mas a adoção precoce pode posicionar as empresas para liderar a próxima era de inovação na ciência dos materiais. Ao combinar o poder preditivo da IA com a precisão da simulação de máquinas quânticas, as empresas podem não só acelerar os seus processos de I&D num dia, mas também criar soluções sustentáveis, eficientes e económicas.
Para as empresas que pretendem manter-se competitivas num mundo que exige constantemente ciclos de inovação mais rápidos, adotar a IA e ferramentas de inspiração quântica tornou-se um luxo e uma necessidade.
Este impulso na inovação e na I&D pode ser apenas o começo. Os benefícios potenciais vão além da economia de custos e do tempo de lançamento no mercado mais rápido. Tal como sublinha o livro branco, a utilização da IA e da computação quântica na logística pode ajudar as empresas a enfrentar desafios críticos, como a escassez de matérias-primas, a sustentabilidade ambiental e a conformidade com as alterações regulamentares.
A equipe EY-SandboxAQ inclui o Dr. Kristin Milchanowski Gilkes, Líder Global de Inovação Quantum, EY: e Dr. Ang Xiao, IA do Líder de Química e Dr. Adam Lewis, líder de IA e Quantum, ambos da SandboxAQ.
