"Inside Scoop" della tecnologia quantistica: scienza quantistica e cambiamento climatico

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La scienza dei cambiamenti climatici può offrire alcune opportunità uniche per il calcolo quantistico, da reti energetiche più efficienti a batterie migliori.

By Kenna Hughes-Castleberry pubblicato il 14 aprile 2023

Il cambiamento climatico è uno dei maggiori sfide di fronte all'umanità oggi, e gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando instancabilmente per capirne le cause e trovare soluzioni. Un'area di ricerca che rappresenta una soluzione particolarmente promettente è l'informatica quantistica. Questa tecnologia all'avanguardia ha il potenziale per rivoluzionare la nostra comprensione del cambiamento climatico e aiutarci a sviluppare strategie più efficaci per mitigarne gli effetti. "Man mano che alcune tecnologie di calcolo quantistico maturano, potrebbero accelerare, migliorare e introdurre soluzioni innovative che contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas serra (GHG), nonché nuove soluzioni di stoccaggio dell'energia e nuove tecnologie di riciclaggio, solo per citarne alcune", ha spiegato Maëva Ghonda, il presidente del Quantum AI Institute e l'esperto di sostenibilità e presidente del Quantum Computing Climate Change Advisory Board per Quantistica IEEE, una delle principali reti internazionali di calcolo quantistico.

Fare modelli migliori

Poiché la scienza del cambiamento climatico coinvolge tutta una serie di variabili, dall'aumento delle temperature all'acidità degli oceani, modellare le fluttuazioni previste nel tempo può essere difficile. Questi modelli sono incredibilmente complessi e persino i supercomputer più potenti fanno fatica a eseguirli in modo tempestivo. Tuttavia, i computer quantistici hanno il potenziale per eseguire queste simulazioni in modo molto più rapido e accurato rispetto ai computer tradizionali. Usando basato sulla fluidodinamica simulazioni, i computer quantistici possono fornire un quadro molto più dettagliato e accurato di come sta cambiando il clima della Terra e di come è probabile che cambi in futuro. Poiché si prevede che il calcolo quantistico aumenterà anche l'ottimizzazione per modelli e simulazioni, questa ottimizzazione potrebbe anche essere utilizzata per migliorare vari modelli scientifici sui cambiamenti climatici, consentendo ai ricercatori di saperne di più sui possibili risultati.

Accendere le reti energetiche

Un'altra area in cui il calcolo quantistico potrebbe avere un impatto significativo sulla ricerca sui cambiamenti climatici è lo sviluppo di sistemi energetici più efficienti e sostenibili. Una delle maggiori sfide per le tecnologie di energia rinnovabile come l'energia eolica e solare è la loro natura intermittente: producono energia quando soffia il vento o splende il sole, ma non necessariamente quando ne abbiamo bisogno. Gli algoritmi di calcolo quantistico possono aiutare a determinare le posizioni migliori per la raccolta di queste fonti di energia rinnovabile, aumentando la produzione. Come Markus Pflitsch, CEO di Terra quantistica, ha scritto in un recente Forbes articolo: “Il calcolo quantistico può consentire simulazioni meteorologiche più accurate basate su centinaia di anni di dati meteorologici storici per aiutare a prevedere la produzione di energia di un particolare periodo di tempo, eliminando o riducendo l'instabilità della rete. Attraverso un migliore bilanciamento della rete e previsioni sull'offerta, la tecnologia quantistica potrebbe accelerare l'uso di fonti energetiche rinnovabili.

Il calcolo quantistico può anche aiutare a creare dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, il calcolo quantistico potrebbe essere utilizzato per progettare batterie migliori in grado di immagazzinare energia in modo più efficace o per sviluppare pannelli solari più efficienti in grado di produrre più energia dalla stessa quantità di luce solare. Poiché il calcolo quantistico sta già mostrando un incredibile successo nell'analisi chimica e nella scienza dei materiali, potrebbe cambiare le regole del gioco nella realizzazione di materiali più efficienti. "Così tante tecnologie a basse emissioni di carbonio coinvolgono sistemi complessi, in particolare intorno alla chimica e alla scienza dei materiali, che nessuno comprende appieno", ha spiegato Jeremy O'Brien, CEO e co-fondatore di PsiQuantum in un recente articolo per McKinsey digitale. “Tutti stanno cercando di trovare un nuovo catalizzatore o elettrolita che ci dia una cattura del carbonio più economica o batterie elettriche migliori. In questo momento, dobbiamo testare migliaia di combinazioni molecolari, il che significa lunghi ed estremamente costosi esperimenti di laboratorio per tentativi ed errori, con miglioramenti spesso deludenti e marginali». Invece, il calcolo quantistico potrebbe semplificare questo processo, creando dispositivi più ecologici che potrebbero alimentare le nostre auto, case e città.

Riduzione delle emissioni di gas

Oltre alla modellazione e alle scienze dei materiali, il calcolo quantistico potrebbe anche essere utilizzato per aiutare a mitigare gli effetti del cambiamento climatico sviluppando sistemi di trasporto più efficienti e sostenibili. Utilizzando algoritmi quantistici per ottimizzare il flusso del traffico e ridurre la congestione, ad esempio, potrebbe essere possibile ridurre le emissioni di automobili e camion, che contribuiscono in modo determinante alle emissioni di gas serra. "I veicoli fermi nel traffico consumano abbondanti quantità di carburante senza produrre alcun risultato positivo", ha aggiunto Pflitsch nel suo articolo. "La tecnologia quantistica potrebbe essere in grado di pianificare in modo più efficiente i percorsi utilizzando dati storici e input in tempo reale per mantenere i veicoli in movimento intorno agli ingorghi e sui percorsi più efficienti in termini di consumo di carburante". Poiché la popolazione mondiale sta aumentando in modo significativo, avremo bisogno di migliori infrastrutture energetiche per le nostre città e paesi. Queste infrastrutture saranno difficili da sviluppare e scalare, ed è qui che il calcolo quantistico potrebbe tornare utile. Utilizzando vari algoritmi, il calcolo quantistico potrebbe mostrare come costruire le reti più efficaci ed efficienti dal punto di vista energetico per le nostre città in crescita.

Cosa stanno facendo attualmente le aziende di Quantum Computing con la scienza del cambiamento climatico

Ci sono molte diverse società e organizzazioni di informatica quantistica che cercano di applicare l'informatica quantistica alla scienza del cambiamento climatico. Aziende come IBM e Riverlano hanno già in atto programmi di ricerca che cercano di utilizzare il calcolo quantistico per migliorare la durata e l'efficienza della batteria. Altri, come il Quantistica IEEE, tenere vertici sul cambiamento climatico. Infatti, il marzo del 2023 segna il secondo anno del Quantum Computing Climate Change di IEEE Quantum Vertice. Ghonda ha guidato la creazione di questo evento e continua a mantenere le sue promesse ogni anno. "Un cambiamento significativo sarà possibile solo con uno sforzo unito e collaborativo reso possibile da partenariati multinazionali pubblico-privato", ha aggiunto. Eventi come questi possono aiutare a mantenere la scienza del cambiamento climatico come un caso d'uso prevalente per varie aziende, organizzazioni e persino governi nazionali di informatica quantistica su cui concentrarsi.

Per Ghonda, sono necessari altri passi più definitivi se il calcolo quantistico potrebbe davvero portare benefici al cambiamento climatico. "Sono necessarie azioni coraggiose se il calcolo quantistico deve aiutare a creare politiche più rispettose dell'ambiente", ha affermato. “Propongo la creazione di una nuova disciplina: scienza del clima quantistico. La mia definizione di questa nuova disciplina che ho proposto è la seguente: la scienza quantistica del clima è un campo emergente che si occupa del calcolo degli effetti quantistici sui sistemi climatici. La legislazione e gli incentivi normativi che promuovono la scienza del clima quantistico potrebbero aiutare ad accelerare la ricerca e lo sviluppo del calcolo quantistico per i casi d'uso di mitigazione del clima".

Kenna Hughes-Castleberry è una scrittrice presso Inside Quantum Technology e Science Communicator presso JILA (una partnership tra l'Università del Colorado Boulder e il NIST). I suoi ritmi di scrittura includono la tecnologia profonda, il metaverso e la tecnologia quantistica.