21 Ноября 2018

Квантовые вычисления, химия и конструкционные материалы

Новые технологии в области конструкционных материалов – одна из наиболее востребованных инноваций. Существующие подходы к разработке, во многом, исчерпали свой потенциал. Квантовые вычисления могут стать прорывным инструментом для материаловедения.

Первая половина 20 века – время стремительного развития авиации. От конструкций из полотна и дерева до сверхзвуковых пассажирских лайнеров и полетов на Луну. Но на рубеже 70-х гг. видимый прогресс в этих отраслях существенно замедлился. Направление дальнейшего развития (на уровне концепций) было очевидным. Преодоление гиперзвукового барьера, создание воздушно-космических транспортных систем с аэродромным взлетом и посадкой, коммерческие сверхзвуковые полеты, детонационные химические ракетные двигатели.

Текущий рекорд скорости установлен LokheedSR-71 в 1976 году

Причин, по которым проекты остались, в большинстве, нереализованными или не оправдали ожидания, было несколько. Но ключевой стало отсутствие конструкционных материалов с комплексом необходимых свойств: прочность, легкость, способность выдерживать высокие температуры. Почти для каждого из направлений решение было найдено, но существующие материалы работали на пределе своих возможностей. Как следствие, надежность всего изделия оказывалась недопустимо низкой.

Очередной революции в авиационной и космической технике не произошло. Современные воздушные суда и космические аппараты – результат эволюционного развития последних сорока лет. Они экономичны, но полет из Москвы в Гонконг требует 12 часов, вместо 6 на сверхзвуковом лайнере или 2 на потенциально возможном гиперзвуковом воздушно-космическом пассажирском шаттле.

Проблема в том, что развитие материаловедения и его основы – химии – во многом базируется на лабораторном поиске. Компьютеры, построенные на классической архитектуре, не позволяют эффективно моделировать химический синтез, прогнозировать свойства новых веществ и материалов. Интересный пример одной из последних разработок в области материаловедения – сплав золото-титан β-Ti3Au, разработанный группой ученых из университетов Техаса и Флориды. Основа этого открытия – анализ закономерностей изменения свойств титановых сплавов с тяжелыми инертными металлами – медью и серебром. Лабораторные исследования показали рост прочности титановых сплавов по мере роста атомной массы второго компонента. Ученые предположили, что золото покажет наилучший результат, эта гипотеза блестяще подтвердилась.

Другой пример подобного подхода к анализу – открытие ксенонового наркоза. Многочисленные наблюдения показывали, что легкие инертные газы – аргон, неон при определенных условиях (высокая концентрация, давление) могут давать легкий одурманивающий эффект. Было сделано предположение, что с ростом атомной массы эффект усилится. Это предположение оказалось верным – и ксеноновый наркоз давно и прочно вошел в медицинскую практику. Важно отметить, что биохимический механизм ксенонового наркоза остается не вполне очевидным.

Важно, что сейчас использование лабораторного метода для разработки новых конструкционных материалов требует огромного времени и инвестиций. При этом все «низковисящие фрукты», то есть очевидные решения, уже найдены. Надежды, которые возлагались на композиционные материалы, в том числе и на основе наноструктур, пока не оправдываются. Разработки ведутся уже не первое десятилетие, но прорыва пока нет. Сплавы на основе металла скандия имеют выдающиеся характеристики, но скандий – очень редкий и дорогой материал. Поэтому промышленное использование таких технологий сомнительно.

Прорывом в разработке конструкционных материалов и в развитии химии в целом может стать использование квантовых компьютеров. Одна из их ключевых особенностей – возможность моделирования большого числа параллельных процессов. Это очень хорошо подходит для численного моделирования свойств материалов.

Сложность использования классических компьютеров для химического анализа и моделирования отмечал еще один из основателей современной кибернетики Ричард Фейнман. Проблема заключается в необходимости параллельно оценивать квантово-механические взаимодействия внутри молекул – сотни электронов на оболочках разных уровней.

Модель для такого анализа была разработана в сотрудничестве JSRcorp–стартапа, специализирующегося на исследованиях в области нефтехимии и Кембриджского университета. В основе – сочетание квантовых вычислений (используется 20-кубитный процессор IBM) и технологий машинного обучения, которые можно настраивать на поиск новых веществ (например, сплавов) с требуемыми свойствами.

Потенциал этой разработки очень велик. В новых материалах остро нуждается не только самолетостроение. Это - безопасная ядерная энергетика, высокоскоростной транспорт, значительно более эффективное химическое производство. Кроме разработки новых материалов, практическим приложением может стать, например, разработка новых лекарств. Даже усовершенствование традиционных алгоритмов анализа в сочетании с технологиями искусственного интеллекта, используемого для обработки больших массивов информации, уже начинает менять рынок фармацевтики.

Развитие облачных сервисов, в том числе удаленный доступ к квантовым вычислениям и искусственному интеллекту, позволяет включить в разработку новых конструкционных материалов, лекарств, удобрений и пр. большое число компаний малого и среднего бизнеса. Это важный и перспективный рынок, свою долю на котором могут занять и российские предприниматели, резюмировала глава Института анализа инвестиционной политики Елена Скрынник.

Мировой рынок
Тренды развития робототехники Тренды в управлении инновациями Глобальный рынок бумаги: экология и цифровизация как главные драйверы развития Государственная поддержка малого бизнес 8 инновационных стартапов в сфере нейротехнологий Тантал: прогнозы и динамика мирового рынка Управление удаленной командой Алюминий-воздушные батареи как источник возможностей для электротранспорта Жизненный цикл перспективных технологий Дополненный интеллект: формирование новой прорывной технологии Мировой рынок полупроводниковых устройств Блокчейн в аэрокосмической отрасли «Экосистемы стартапов: мировой рэнкинг Промышленная 3D печать как инструмент развития цифрового экспорта Глобальные инвестиции в новый бизнес Большие данные: тренды развития Электронная торговля: новый инструмент экспорта Обзор национальных стратегий ИИ Обзор национальных стратегий ИИ Цифровые тренды энергетической отрасли Системы автономного вождения: риски и решения Доверенная поисковая система Мировой рынок кремния Умное правительство: структура и взаимодействие Цифровые двойники: от устройств до компаний Smart Space: эволюция умных пространств Обзор национальных стратегий ИИ Евросоюз: малый бизнес в информационно-коммуникационной отрасли Обзор национальных стратегий ИИ 10 приоритетов цифрового суверенитета Европы будущего Цифровизация медицины: глобальные изменения рынка Автономные системы: групповое взаимодействие Умные города Ошибки искусственного интеллекта Персонализация рекламы в интернете: риски и решения Прорывные технологические тренды Средний класс: рост рисков и новые возможности Новые возможности и идеи зеленых технологий Дополненная реальность: в ожидании нового этапа развития Цифра в персонализированной медицине Развитие искусственного интеллекта: национальные стратегии Мировой рынок углеродного волокна Промышленные роботы: динамика формирования базы индустрии 4.0 Области риска в цифровой экономике Электроавиация: потенциал развития и возможности для малого бизнеса Мировой опыт развития стартапов: динамика инвестиций в 1 квартале 2019 года Тренды 2019 в цифровом маркетинге Производство металлических порошков как база развития аддитивных технологий Искусственный интеллект: мировой рынок умных колонок Развитие искусственного интеллекта в интересах малого бизнеса Стратегическое сырье для Индустрии 4.0 Малый и средний бизнес Ирландии Практическое приложение блокчейн-технологий Мировой рынок голографических дисплеев Аддитивные технологии в металлообработке: перспективы для МСП Малый бизнес Китая: динамика и основные направления инвестиций в агростартапы Индустрия 4.0: синергия роста Цифровая экономика и искусственные радиоактивные изотопы Цифровая промышленность: влияние новых технологий на рост операционной эффективности Прикладной искусственный интеллект для малого бизнеса Рентабельность внедрения искусственного интеллекта Дистанционное обучение: мировой опыт Космическая экономика: основные сегменты Спинтроника: новые горизонты роста компьютерной техники Технологии и экономика в формировании digital-тенденций МСП: идеи инновации в отрасли общественного питания Ресурсы роста высоких технологий: кобальт Индикаторы настроений малого и среднего бизнеса Мировая практика: основные направления деятельности стартапов Видеомаркетинг: перспективный инструмент для МСП AI и системы автоматического управления: новый этап развития Изменение потребительского спроса: возможности для МСП Индустрия гостеприимства: технологические возможности для МСП Мировой рынок биотехнологий Ведущие тренды развития интернета до 2022 года Топливные элементы как часть цифровой инфраструктуры Тренды цифровизации: рост разнообразия устройств Малый и средний бизнес: сквозные технологии цифровизации Печатная электроника: перспективы развития для МСП Энергоэффективные технологии: солнечные коллекторы, тепловые насосы Редактирование генома: ведущие стартапы Коворкинги: мировой опыт Цифровые транснациональные компании Интернет вещей: структура, динамика, основные сегменты рынка Малый бизнес и цифровое производство Оценка глобальной цифровой конкурентоспособности: опыт Китая Глобальный рынок WiFi Творчество AI: проекты Кибербезопасность: постквантовая криптография Машинное обучение Мировой рынок утилизации твердых отходов Цифровизация и дистанционное зондирование Земли KPI для малого и среднего бизнеса Мировой рынок лазеров Прозрачный AI Китай: 10 стартапов Европейский опыт: онлайн-инструменты для малого и среднего бизнеса МСП: гендерные факторы развития ТОП наиболее рентабельных видов малого бизнеса Малый бизнес: инструменты цифровизации Индустрия 4.0: электроактивные полимеры 5 ведущих стартапов в области термоядерного синтеза Суперкомпьютеры: динамика развития Мировой опыт: центры инновационного развития Барселоны Влияние цифровой экономики на мировой рынок образования Тренды развития цифровых технологий – 2019 Фотовольтаика: обзор рынка и технологии Высокотехнологичный экспорт российского машиностроения Современные аккумуляторы как базовый элемент развития цифровых технологий Welness – индустрия инноваций и роста МСП Ведущие тренды развития искусственного интеллекта Ключевые факторы успеха на глобальном рынке инвестиций IT-технологии: рынок медицинского оборудования Мировые центры инновационного развития: Мельбурн Мировой рынок телекоммуникационного оборудования Основные тренды мирового рынка прямых инвестиций Сильные «черные лебеди» в области науки и технологий Мировой рынок интегральных схем Аддитивные технологии: 3D печать Большие данные: преимущества и эффекты Промышленная и сервисная робототехника Мировой рынок облачных сервисов Квантовые вычисления, химия и конструкционные материалы Центры обработки данных: рынок и прогнозы Цифровое государство Перспективы цифровизации Факты и тренды развития цифровой индустрии в России и в мире Беспилотные летательные аппараты и цифровая экономика Пятое поколение мобильной связи: ключевая технология цифровизации Цифровизация: киберспорт Цифровые технологии для строительного рынка Квантовые компьютеры: драйвер цифровизации Цифровизация как драйвер глобальных изменений рынка фармацевтики Бионические системы: применение, рынок и перспективы Лучшие мировые стартапы 2018 От машинного обучения к искусственному интеллекту Интернет вещей как основа цифровизации промышленности Цифровизация: робототехника в промышленном производстве Индустрия 4.0: мировой опыт Биометрическая аутентификация: инструмент формирования цифрового пространства Direct to Consumer: преимущества и возможности для малого бизнеса Интернет вещей: от умных домов к умным городам Особенности финансирования малого и среднего бизнеса в ряде стран ЕС Тренды в управлении мотивацией МСП: игрофикация Ключевые технологии идустрии 4.0 Малый и средний бизнес в странах Европы Мировая экономика и РФ: готовность к цифровому будущему Цифровое промышленное предприятие: ко-боты, автоматические транспортные системы, фабберы Франкфурт: зарубежный региональный опыт формирования экосистемы стартапов Европейская программа «Горизонт 2020»: поддержка малого и среднего бизнеса Индустрия 4.0: управление изменениями Опыт поддержки развития малого бизнеса в странах Тихоокеанского альянса Мировой рынок информационных и телекоммуникационных услуг Мировой опыт поддержки малого бизнеса в сфере промышленности Корпорация развития малого бизнеса Малайзии Развитие малого бизнеса: опыт Сингапура МСП: технологическое лидерство Перспективные тренды развития малого и среднего бизнеса в мировой практике Цифровая трансформация - источник роста для малых и средних предприятий Новые лидеры: практика успешных компаний - стартапов Малый и средний бизнес в мировой практике Тренды развития мировой сетевой торговли Рынок сельхозсырья и продовольствия в странах Прибалтики и Восточной Европы Агропотенциал ассоциации стран Юго-Восточной Азии Мировой рынок сыра Мировой рынок мороженого Ключевые тренды мирового АПК MERCOSUR: перспективы сотрудничества с Россией в области сельского хозяйства Российский агроэкспорт во Вьетнам: перспективы роста Мировой рынок продукции рыболовства и рыбоводства Мировой рынок племенного скота и птицы Мировой рынок кормов для животных Долгосрочные тренды цен на продукцию АПК Сельское хозяйство Европейского Союза: видение глобальных вызовов и приоритетов Производство сои: прогноз на сезон 2017/18 Ведущие тренды мирового рынка соков Мировые цены на основные продукты питания Новое поколение информационных услуг для АПК Производство биотоплива: прогнозы Динамика экспорта продовольствия в мире Инструменты поддержки и внедрения агроинноваций Тренды цифровых технологий в АПК Динамика потребления зерновых в мире Пульс инноваций АПК Сельское хозяйство: ключевой фактор мировой экономики Сирийская Арабская Республика: перспективы сотрудничества в АПК Международная торговля биржевыми продовольственными товарами Мировой рынок игристых вин Прогнозы развития производства основных продуктов растениеводства 2017 – 2026 Аэропоника и вертикальные фермы Мировой рынок сахара Ключевые источники белка: рынок яйца Импорт-экспорт тропических фруктов Новые направления использования сельскохозяйственного сырья Лучшие мировые практики развития органического сельского хозяйства Русские продукты и мировой рынок Перспективы мирового рынка ветеринарных препаратов Сельское хозяйство Вьетнама Мировой рынок беспилотных летательных аппаратов сельхозназначения Инновационные финансовые продукты для АПК Рейтинговый анализ как инструмент развития АПК России Сельское хозяйство Индии Мировой рынок: производство масличных культур Мировой рынок холодного хранения и возможности развития высокомаржинального экспорта АПК РФ Информационные инструменты повышения эффективности АПК Новые тенденции мирового рынка мяса Перспективы развития рынка кормов для животных Сельское хозяйство КНР Технология блокчейн в сельском хозяйстве Тенденции спроса на мировом рынке продовольствия Прогноз рынка зерна и продовольственной безопасности в мире 2017/18 Технологии в сельском хозяйстве Мировой опыт развития сельских поселений Мировой рынок бобовых культур Сценарии развития мирового продовольственного рынка до 2050 года Инновации для фермеров Мировой опыт поддержки агроэкспорта Развитие инновационного потенциала Управление качеством агроэкспорта Международная добровольная сертификация Мировой рынок фруктов Обзор рынка хлеба Мировой рынок овощей и бахчевых культур Обзор рынка картофеля Структура продовольственного рынка Обзор рынка органических продуктов Обзор рынка сахара Обзор рынка зерновых Обзор рынка растительного масла Обзор рынка масличных культур Обзор рынка мяса Обзор рынка молока Структура потребления продовольствия Обзор рынка пшеницы Обзор рынка халяльной продукции
Презентация (pdf)
Скачать (pdf)
Другие документы