Neben der Forschung, um neue Quantengeräte zu entwerfen oder bestehende zu verbessern, werden auch neue Quantenalgorithmen geschaffen, die konkrete Probleme lösen können.
Wissenschaftler der EPFL arbeiten in Zusammenarbeit mit dem Geneva Science and Diplomacy Anticipator ( GESDA ) und dem (OQI) am CERN an bahnbrechenden Projekten zur Entwicklung von Quantencomputeranwendungen, die dazu beitragen können, die Herausforderung der nachhaltigen Entwicklungsziele (SDGs) der Vereinten Nationen zu bewältigen.
"Wir arbeiten an Anwendungsszenarien, die Methoden und Werkzeuge der Quanteninformatik für Umwelt, Ernährung, Transport, Energie und Medizin in Entwicklungsländern anwenden", erklärt Vincenzo Savona, Professor am Laboratorium für theoretische Physik der Nanosysteme und akademischer Direktor des Zentrums für Quantenwissenschaften und -technik an der EPFL.
Obwohl wir noch weit von einem vollständigen Einsatz dieser neuen Technologien entfernt sind, hat das Quantencomputing in einigen Fällen bereits ein Potenzial, z. B. bei der Optimierung komplexer Probleme in Bereichen wie Logistik, Transport oder Lieferketten. Sie könnte dabei helfen, die besten Routen zwischen zwei Punkten für Lieferwagen zu finden, eine bessere Zuweisung von medizinischen Ressourcen ermöglichen oder dabei helfen, Energie in Versorgungsnetzen effizient zu verteilen. "Mit herkömmlichen Computern lassen sich solche Probleme in der Regel nicht effizient lösen", erklärt Vincenzo Savona.
Im Rahmen des zweiten SDG, "Null Hunger", untersucht der Forscher eines dieser Szenarien, in dem Quantencomputer die autonome Nahrungsmittelproduktion in Teilen Südafrikas optimieren. Dabei geht es um die genaue Berechnung der benötigten Mengen und der Art der Kulturen in einem grossen Netzwerk, in dem viele Produzenten verschiedenen Behörden unterstehen. Das Programm wurde vom Open Quantum Institute ausgewählt, um auf einem echten Quantencomputer implementiert zu werden. Man testet im Rahmen dieses Szenarios und auf praktische Weise den Wert von Quantenalgorithmen.
"Selbst wenn wir zu dem Schluss kommen, dass Quantencomputer für dieses spezielle Problem nicht geeignet sind, wäre das auch ein wichtiges Ergebnis", erklärt der Forscher.
Es ist auch ein echter Fortschritt, wenn Quantenforscherinnen und -forscher mit den UN-Organisationen in einen Dialog treten, damit sie das konkrete Potenzial ihrer Arbeit sehen und sich stärker für die Lösung gesellschaftlicher Probleme einsetzen.
Philippe Caroff, Direktor des QSE Center
Eine nächste Generation von Experten und Expertinnen
Um die Studentinnen und Studenten der EPFL auf solche Herausforderungen vorzubereiten, wurde im Rahmen des Masterprogramms in Quantenwissenschaft und -technik der Wahlkurs "Aspect of Quantum Science and Sustainability" (Aspekt der Quantenwissenschaft und -nachhaltigkeit) eingerichtet. "Während die EPFL dabei ist, Nachhaltigkeitskurse auf Bachelor- und Masterebene einzuführen, haben wir beschlossen, einen Wahlkurs einzurichten, der sich speziell dem Quantenbereich widmet", erklärt Nicolas Macris, EPFL-Professor, Leiter des Masterprogramms und Mitgestalter des Kurses.Der Kurs besteht aus einer Erkundung des Potenzials des Quantenbereichs in Anwendungsfällen, die sich auf die nachhaltige Entwicklung beziehen. Der Kurs enthält einen rein wissenschaftlichen Teil über die Thermodynamik des Rechnens und die Kosten des Quantenrechnens im Vergleich zum klassischen Rechnen. Es umfasst externe Beiträge und ein Rollenspiel zur Quantendiplomatie.
"Die Quantentechnik könnte im Prinzip Probleme lösen, die derzeit ausserhalb der Reichweite herkömmlicher Computer liegen", erklärt Marianne Schoerling von der GESDA, die das Rollenspiel leitet. Aber wie können wir sicherstellen, dass alle Menschen davon profitieren?"
Zugänglichkeit und Voraussicht
Es ist auch wichtig, dass die Quantentechnologie weltweit zugänglich ist, nicht nur für Universitäten in reichen Ländern. Dies ist das Ziel des Open Quantum Institute und eines neuen Projekts, Schiiq, das vom Zentrum für Quantenwissenschaften und -technik der EPFL und der Fachhochschule Westschweiz gemeinsam geleitet wird.Das Projekt wird dazu beitragen, kleine Bildungsquantencomputer für benachteiligte Länder und Gemeinschaften zu entwerfen und bereitzustellen. Diese Systeme basieren auf der Kernspinresonanz, der ältesten Plattform für Quantencomputer. Sie werden mittlerweile von Technologien mit Supraleitung oder Ionenfalle überholt. Sie eignen sich jedoch für den Bildungsbereich, da sie einfach zu bauen sind und bei Raumtemperatur funktionieren.
"Durch den Zusammenschluss mit dem Open Quantum Institute rund um das Schiiq-Projekt konnten wir von Anfang an Partner und Länder des globalen Südens erreichen, um eine gemeinsame Entwicklung und den Abbau von Ungleichheiten beim Zugang zur Quantenbildung zu gewährleisten", freut sich Philippe Caroff.
Letztendlich ist es angesichts der Tatsache, dass Quantentechnologien immer präsenter und effektiver werden, zwingend erforderlich, Verantwortliche aus verschiedenen Bereichen auf internationaler Ebene - politische Entscheidungsträger, Diplomaten und Erbauer von Ökosystemen - bereits jetzt und in einem frühen Stadium zusammenzubringen. Im Vergleich zu anderen Technologien, die bereits unvorhergesehene Folgen haben, befindet sich der Quantenbereich noch in einem frühen Stadium. Dies stellt eine echte Chance dar, frühzeitig zu handeln und sicherzustellen, dass diese Technologien auf verantwortungsvolle Weise entwickelt und eingesetzt werden
