วิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎีและการคำนวณเพื่องานวิจัยแนวหน้า

หัวใจสำคัญของการพัฒนานวัตกรรมที่ส่งผลกระทบสูงทางด้านเศรษฐกิจและสังคมคืองานวิจัยในระดับแนวหน้า (frontier research) เป็นต้นว่าการค้นพบทฤษฎีหรือระเบียบวิธีคิดใหม่ที่ส่งผลกระทบสูงต่อแนวทางการทำวิจัยในเชิงประยุกต์ เช่น การค้นพบทฤษฎีควอนตัมที่เป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาเกี่ยวกับวัสดุกึ่งตัวนำซึ่งนำมาสู่การประดิษฐ์คิดค้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ในที่สุด การศึกษาค้นคว้าในลักษณะดังกล่าวจำเป็นต้องใช้เวลาและเงินทุนมหาศาล อย่างไรก็ตาม การพัฒนาอย่างต่อเนื่องของระเบียบวิธีเชิงคำนวณ (computational methods) และฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ทำให้การศึกษาระบบเสมือนจริงผ่านการจำลอง (simulation) สามารถทำได้รวดเร็วขึ้น เป็นการลดต้นทุนทั้งทางด้านเวลาและวัสดุอุปกรณ์ที่ต้องใช้ในการลองผิดลองถูก การแก้ปัญหาด้วยคณิตศาสตร์ ระเบียบวิธีเชิงคำนวณ รวมทั้งวิธีปัญญาประดิษฐ์ (AI) ถือเป็นการพยายามทำความเข้าใจเกี่ยวกับปัจจัยเชิงจุลภาค เช่น การกำหนดค่าพารามิเตอร์ในระเบียบวิธีการ optimization หรือองค์ประกอบในระดับโมเลกุลของวัสดุหรือของไหล ที่ส่งผลต่อสมบัติเชิงมหภาคที่เราสามารถวัดได้ เช่น การนำไฟฟ้า การเกิดหรือการยับยั้งปฏิกิริยาเคมี จากความเข้าใจในกลไกการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวทำให้สามารถวิเคราะห์ ทำนาย หรือเสนอแนะแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของระบบ เช่น การควบคุมการนำไฟฟ้าของระบบหรือการค้นพบโมเลกุลยาที่มีประสิทธิภาพในการยับยั้งการทำงานของโปรตีนประเภทเอนไซม์สูงขึ้น