Inside Quantum Technology's „Inside Scoop:“ Wissenschaft über Quanten- und Klimawandel

Neuauflage von Plato

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Die Wissenschaft zum Klimawandel könnte einige einzigartige Möglichkeiten für Quantencomputer bieten, von effizienteren Energienetzen bis hin zu besseren Batterien.

By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 14

Der Klimawandel ist einer der größten Herausforderungen der Menschheit heute gegenübersteht, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten unermüdlich daran, ihre Ursachen zu verstehen und Lösungen zu finden. Ein Forschungsgebiet, das eine besonders vielversprechende Lösung darstellt, ist das Quantencomputing. Diese Spitzentechnologie hat das Potenzial, unser Verständnis des Klimawandels zu revolutionieren und uns dabei zu helfen, effektivere Strategien zur Eindämmung seiner Auswirkungen zu entwickeln. „Wenn einige Quantencomputertechnologien ausgereift sind, könnten sie innovative Lösungen beschleunigen, verbessern und einführen, die zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) beitragen, sowie neuartige Energiespeicherlösungen und neue Recyclingtechnologien – um nur einige zu nennen“, erklärte er Maëva Ghonda, der Vorsitzende des Quantum AI Institute und der Nachhaltigkeitsexperte und Vorsitzende des Quantum Computing Climate Change Advisory Board for IEEE Quantum, einem führenden internationalen Quantencomputing-Netzwerk.

Bessere Modelle machen

Da die Wissenschaft des Klimawandels eine ganze Reihe von Variablen umfasst, von steigenden Temperaturen bis zum Säuregehalt der Ozeane, kann die Modellierung der vorhergesagten Schwankungen im Laufe der Zeit eine Herausforderung darstellen. Diese Modelle sind unglaublich komplex, und selbst die leistungsstärksten Supercomputer haben Schwierigkeiten, sie zeitnah auszuführen. Quantencomputer haben jedoch das Potenzial, diese Simulationen viel schneller und genauer durchzuführen als herkömmliche Computer. Durch die Nutzung Fluiddynamik basiert Simulationen können Quantencomputer ein viel detaillierteres und genaueres Bild davon liefern, wie sich das Erdklima verändert und wie es sich voraussichtlich in Zukunft verändern wird. Da Quantencomputer voraussichtlich auch die Optimierung von Modellen und Simulationen vorantreiben werden, könnte diese Optimierung auch zur Verbesserung verschiedener wissenschaftlicher Modelle zum Klimawandel verwendet werden, sodass Forscher mehr über mögliche Ergebnisse erfahren können.

Energienetze hochfahren

Ein weiterer Bereich, in dem Quantencomputer einen erheblichen Einfluss auf die Erforschung des Klimawandels haben könnten, ist die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Energiesysteme. Eine der größten Herausforderungen für erneuerbare Energietechnologien wie Wind- und Solarenergie ist ihre intermittierende Natur – sie produzieren Energie, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint, aber nicht unbedingt dann, wenn wir sie brauchen. Quantencomputing-Algorithmen können dabei helfen, Standorte zu bestimmen, die besser für die Ernte dieser erneuerbaren Energiequellen geeignet sind, wodurch der Ertrag gesteigert wird. Wie Markus Pflitsch, der CEO von Terra Quantum, schrieb kürzlich in einem Forbes Artikel: „Quantum Computing kann genauere Wettersimulationen auf der Grundlage von Hunderten von Jahren historischer Wetterdaten ermöglichen, um die Energieerzeugung eines bestimmten Zeitrahmens vorherzusagen und Netzinstabilitäten zu beseitigen oder zu reduzieren. Durch besseren Netzausgleich und Versorgungsprognosen könnte Quantentechnologie die Nutzung erneuerbarer Energiequellen beschleunigen.“

Quantencomputing kann auch dazu beitragen, energieeffizientere elektronische Geräte zu entwickeln. Beispielsweise könnte Quantencomputing verwendet werden, um bessere Batterien zu entwerfen, die Energie effektiver speichern können, oder um effizientere Solarmodule zu entwickeln, die aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Energie erzeugen können. Da Quantencomputing bereits unglaubliche Erfolge in der chemischen Analyse und Materialwissenschaft zeigt, könnte es bei der Herstellung effizienterer Materialien bahnbrechend sein. „So viele kohlenstoffarme Technologien umfassen komplexe Systeme, insbesondere in den Bereichen Chemie und Materialwissenschaften, die niemand vollständig versteht“, erklärte Jeremy O'Brien, CEO und Mitbegründer von PsiQuantum in einem kürzlich erschienenen Artikel für McKinsey Digital. „Jeder versucht, einen neuen Katalysator oder Elektrolyten zu finden, der uns eine billigere Kohlenstoffabscheidung oder bessere elektrische Batterien ermöglicht. Im Moment müssen wir Tausende von molekularen Kombinationen testen, was langwierige und enorm teure Trial-and-Error-Laborexperimente mit oft enttäuschenden, geringfügigen Verbesserungen bedeutet.“ Stattdessen könnte Quantencomputer diesen Prozess rationalisieren und umweltfreundlichere Geräte schaffen, die unsere Autos, Häuser und Städte mit Strom versorgen könnten.

Senkung der Gasemissionen

Neben Modellierung und Materialwissenschaften könnte Quantencomputing auch dazu beitragen, die Auswirkungen des Klimawandels durch die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Verkehrssysteme zu mildern. Durch den Einsatz von Quantenalgorithmen zur Optimierung des Verkehrsflusses und zum Abbau von Staus könnten beispielsweise die Emissionen von Autos und Lastwagen, die einen großen Beitrag zu den Treibhausgasemissionen leisten, reduziert werden. „Fahrzeuge, die im Verkehr stehen, verbrauchen reichlich Kraftstoff, ohne positive Ergebnisse zu erzielen“, fügte Pflitsch in seinem Artikel hinzu. „Quantum Tech kann möglicherweise Routen effizienter planen, indem historische Daten und Echtzeit-Eingaben verwendet werden, um Fahrzeuge um Staus herum und auf den kraftstoffeffizientesten Routen rollen zu lassen.“ Da die Weltbevölkerung stark zunimmt, brauchen wir bessere Energieinfrastrukturen für unsere Städte und Länder. Diese Infrastrukturen werden schwierig zu entwickeln und zu skalieren sein, und hier könnte Quantencomputing nützlich sein. Mithilfe verschiedener Algorithmen könnte Quantencomputer zeigen, wie die effektivsten und energieeffizientesten Netze für unsere wachsenden Städte aufgebaut werden können.

Was Quantencomputing-Unternehmen derzeit mit der Wissenschaft zum Klimawandel machen

Es gibt viele verschiedene Quantencomputing-Unternehmen und -Organisationen, die sich mit der Anwendung von Quantencomputing auf die Wissenschaft zum Klimawandel befassen. Unternehmen wie IBM und Flussstraße verfügen bereits über Forschungsprogramme, die darauf abzielen, Quantencomputing zur Verbesserung der Batterielebensdauer und -effizienz einzusetzen. Andere, wie die IEEE Quantum, Klimagipfel abhalten. Tatsächlich markiert der März 2023 das zweite Jahr des Quantum Computing Climate Change von IEEE Quantum Gipfel. Ghonda leitete die Schaffung dieser Veranstaltung und hält jedes Jahr ihre Versprechen ein. „Bedeutende Veränderungen werden nur durch gemeinsame, kooperative Anstrengungen möglich sein, die durch multinationale öffentlich-private Partnerschaften ermöglicht werden“, fügte sie hinzu. Veranstaltungen wie diese können dazu beitragen, dass die Wissenschaft zum Klimawandel ein vorherrschender Anwendungsfall für verschiedene Quantencomputerunternehmen, -organisationen und sogar nationale Regierungen bleibt, auf die sie sich konzentrieren können.

Für Ghonda müssen andere, definitivere Schritte unternommen werden, wenn Quantencomputer wirklich dem Klimawandel zugute kommen könnten. „Kühne Maßnahmen sind erforderlich, wenn Quantencomputer dazu beitragen sollen, umweltfreundlichere Richtlinien zu schaffen“, erklärte sie. „Ich schlage die Schaffung einer neuen Disziplin vor: Quantenklimawissenschaft. Meine Definition dieser neuen Disziplin, die ich vorgeschlagen habe, lautet wie folgt: Die Quantenklimawissenschaft ist ein aufstrebendes Gebiet, das sich mit der Berechnung von Quanteneffekten auf Klimasysteme befasst. Gesetze und regulatorische Anreize, die die Quantenklimawissenschaft fördern, könnten dazu beitragen, die Forschung und Entwicklung von Quantencomputern für Anwendungsfälle im Bereich Klimaschutz zu beschleunigen.“

Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.