Le tecnologie quantistiche possono aiutare la decarbonizzazione?

Almeno da quando ha lanciato la Quantum Flagship da 1 miliardo di euro nel 2018, l’Unione Europea è convinta che le tecnologie quantistiche siano una scommessa su cui vale la pena puntare, per non perdere l’ennesimo treno dell’innovazione e garantirsi una leva di competitività per gli anni a venire.

Il calcolo quantistico può avere applicazioni in molti settori, dalla finanza alla scienza dei materiali, mentre la possibilità di rendere ultrasicure le telecomunicazioni affidandosi a metodi di crittografia quantistica interessa diversi attori, dalle banche ai governi. Finora però non è stato messo in risalto a sufficienza il contributo che le tecnologie quantistiche potrebbero dare alla decarbonizzazione.

Entro quest’anno, la Commissione Europea dovrebbe presentare la proposta di uno European Quantum Act e secondo un documento del Parlamento Europeo non legare l’innovazione quantistica alla questione ambientale sarebbe un’occasione persa.

Le tecnologie quantistiche possono essere divise in tre ambiti fondamentali: il calcolo, i sensori e le comunicazioni. Ciascuno può contribuire alla decarbonizzazione non nel senso di un apporto diretto alla mitigazione del riscaldamento globale, ma piuttosto come acceleratori di soluzioni per la decarbonizzazione e per la sicurezza energetica.

Se infatti la riduzione del 55% delle emissioni europee entro il 2030 è un obiettivo alla portata delle soluzioni correnti, il raggiungimento della piena neutralità climatica a metà secolo è dipendente da investimenti e tecnologie che dovranno dimostrare di maturare nei prossimi due decenni. Questo vale soprattutto per i settori cosiddetti hard-to-abate, quali l’industria pesante o i trasporti di lungo raggio.

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Sensori

Non tutte le tecnologie quantistiche si trovano allo stesso stadio di maturità tecnologica. Più avanti delle altre sono i sensori quantistici, molto più sensibili di quelli tradizionali tanto che vengono già utilizzati per esempio per captare lievissimi segnali sismici che potrebbero preludere un terremoto. Per quanto riguarda le loro applicazioni in ambito ambientale, possono contribuire a migliorare il monitoraggio delle emissioni di gas serra o l’alterazione di variabili atmosferiche come la pressione. Possono quindi aiutare a rendere più accurati sia i modelli climatici sia quelli meteorologici e contribuire a sviluppare le strategie di adattamento.

“La tecnologia di rilevamento quantistico si integra direttamente nei framework e negli standard di dati esistenti, come gli standard ISO per la gestione ambientale e i protocolli di osservazione della Terra di Copernicus” si legge nel documento.

I sensori quantistici possono inoltre essere usati per la misurazione dell’inquinamento dell’aria, ma la loro estrema sensibilità può anche aiutare a individuare nel sottosuolo fonti di energia geotermica, mappare il depauperamento delle falde acquifere sotterranee o lo scioglimento dei ghiacciai montani. Possono venire utilizzati anche per aumentare l’efficienza delle reti elettriche o la performance delle batterie.

Comunicazioni

Per le infrastrutture energetiche la sicurezza è sempre più un fattore di rilevanza strategica, sia per quanto riguarda minacce fisiche sia quelle informatiche. Le comunicazioni quantistiche sono in grado di sfruttare principi della fisica, anziché dei classici protocolli di sicurezza informatica, per rendere pressoché inattaccabile un trasferimento di dati. 

“La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) ha raggiunto la fase operativa in reti pilota negli Stati membri dell'UE e a livello internazionale, con sistemi che gestiscono scambi di dati anche in tempo reale”. Tuttavia, a differenza dei sensori, la piena adozione dei sistemi di comunicazione quantistica dipende da infrastrutture in fibra ottica o satellitari appositamente dedicate.

La European Quantum Information Infastructure sta già lavorando all’ampliamento della rete quantistica europea in fibra ottica (una European Quantum Backbone) e presto è anche atteso da parte dell’ESA (la European Space Agency) il lancio in orbita di satelliti dedicati alle comunicazioni quantistiche.

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Calcolo

I computer quantistici oggi esistono solo allo stadio di prototipi e ancora non si sa se e quando giungeranno a pieno sviluppo. Ciononostante, già oggi si possono utilizzare simulazioni che hanno dato prova di una velocità di calcolo superiore a quella classica, in alcuni ambiti specifici come i problemi matematici di ottimizzazione, che hanno però molte possibili applicazioni reali. Alcune di queste possono dare il loro contributo alla sfida della decarbonizzazione.

Un sistema di calcolo più performante per esempio può aiutare a sviluppare nuovi sistemi catalitici che vengono utilizzati nella produzione di fertilizzanti, unendo idrogeno e ammoniaca. In prospettiva, potrebbe anche aiutare ad abbassare i costi di produzione dell’idrogeno verde che oggi sono ancora troppo alti.

Analogamente, il calcolo quantistico può dare un notevole contributo allo sviluppo di nuovi materiali: la compagnia Quantinuum e l’azienda energetica francese Total stanno lavorando in partnership per migliorare le performance della carbon capture, e più precisamente per sviluppare dei materiali che assorbano l’anidride carbonica prodotta dalle emissioni industriali. 

Un altro ambito in cui il calcolo quantistico può aiutare a migliorare le performance è quello della chimica delle batterie. In collaborazione con IBM, l’azienda di automotive Daimler AG sta sperimentando sistemi di accumulo alternativi agli ioni-litio, basati su litio e zolfo.

Il calcolo quantistico può inoltre allearsi con l’intelligenza artificiale, o meglio gli algoritmi di machine learning, per ottimizzare per esempio la gestione dei flussi di energia di una rete elettrica, rendendola più efficiente e stabile. L’azienda Pasqal (fondata dal Nobel per la fisica Alain Aspect) assieme alla società elettrica statale EDF, stanno dimostrando in Francia un’applicazione reale della tecnologia quantistica nell’ottimizzazione della rete.

Non è invece ancora chiaro se la computazione quantistica in sé possa ridurre il consumo energetico dei sistemi di calcolo: da un lato promette infatti operazioni più rapide, ma dall’altro deve mantenere il suo apparato a temperature estremamente basse, richiedendo un notevole dispendio energetico.

Mentre le comunicazioni e sensori quantistici sono più vicini a un impiego su larga scala, molte delle applicazioni del calcolo assomigliano all’esplorazione di soluzioni futuribili. Il problema è che quando si parla di lotta al cambiamento climatico il tempo non è una risorsa infinita, tutt’altro. Se si vogliono ridurre rapidamente le emissioni, la transizione energetica ed ecologica va fatta ora. Le tecnologie disponibili adesso hanno già dimostrato di essere pronte e affidabili. Se quelle quantistiche si aggiungeranno in futuro, avremo una risorsa in più anche nel contrasto del riscaldamento globale. Nel frattempo, non fermiamoci ad aspettarle.

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