Ko se ne moremo zanašati na satelitsko navigacijo

Kvantne tehnologije bomo lahko najbolj učinkovito izkoristili, če jih razumemo kot eno izmed orodij v širšem naboru možnih rešitev. Pomemben je torej preplet kvantnih tehnologij z najboljšimi tradicionalnimi (klasičnimi) rešitvami, tako obstoječimi kot prihajajočimi.

Za optimizacijo transportnih in logističnih procesov v Luki Koper

Konzorcij fakultet Univerze v Ljubljani, in sicer Fakulteta za matematiko in fiziko, Fakulteta za računalništvo in informatiko, Fakulteta za elektrotehniko in Fakulteta za pomorstvo in promet, oblikuje projektno podlago za inovativen projekt s področja uporabe kvantnih tehnologij v praksi. Raziskave bodo potekale v treh smereh; kvantni optimizacijski algoritmi, kvantne komunikacije in kvantni senzorji za navigacijo.

Kvantna tehnologija ponuja nove alternativne variante senzorjev, s katerimi bi lahko še dodatno premaknili meje natančnosti.

V sodelovanju s projektnimi partnerji bomo zastavili, razvili in verificirali delovanje kvantnega optimizacijskega algoritma na enem od transportnih ali logističnih problemov v Luki Koper ali v logistični verigi, v katero je vključena tudi Luka Koper, in dokazati potencial nadaljnjega razvoja.

V sodelovanju s FRI bomo delali na razvoju integriranega navigacijskega sistem za nadvodna ali podvodna plovila, ki bo temeljil na kvantnem procesiranju podatkov iz različnih navigacijskih sistemov z namenom doseganja večje natančnosti, tudi brez uporabe satelitskih sistemov. Na področju algoritmov bomo razvili kvantni variacijski adiabatski algoritem za optimizacijo in za primerjavo še kodo za klasični variacijski adiabatski algoritem s pomočjo tenzorskih mrež ali nevronskih kvantnih stanj, katerega delovanje bomo ocenili na osnovnih NP težkih problemih (na primer Wishartov model). Namen je izdelati kvantni algoritem za optimizacijo logističnih procesov v Luki Koper, npr. za razporejanje in relokacijo zabojnikov na kontejnerskem terminalu.

Varne komunikacije so ključne

Na področju razvoja računalniških algoritmov se bomo osredotočili na izpopolnjevanje najobetavnejših rešitev. Po eni strani bomo programsko opremo razširili in poskušali čim natančneje zajeti potrebe industrije, po drugi strani pa bomo kar najbolje izkoristili zmožnosti obstoječih platform, med drugim z razvojem učinkovitih prevajalnikov in simulatorjev. V zaključni fazi projekta bomo iz pridobljenih izkušenj izluščili splošnejše optimizacijske algoritme ter identificirali programske vzorce, ki bi bili primerni za prenos v visokonivojske knjižnice in uporabni na drugih področjih kvantnega računalništva, kot so kemija, finance in umetna inteligenca.

Varne komunikacije so ključne za operabilnost transportnih sistemov. Prihod kvantnih računalnikov bo onesposobil nekatere izmed trenutno najbolj uporabljanih rešitev za zagotavljanje varnih komunikacij, zato je potrebno začeti iskati nadomestne rešitve že danes. Trenutne rešitve za kvantno zaščitene kvantne komunikacije še niso zadosti robustne in potrebno bo razviti tehnologije, primerne za gibajoče se objekte (vozila, plovila). V okviru projekta bomo razvili varno komunikacijsko infrastrukturo za nemoteno povezovanje logističnih centrov, ladij s pristaniško infrastrukturo in ladij med seboj.

Za povezovanje logističnih centrov s tehnologijo razdeljevanja kvantnih ključev (angl. Quantum Key Distribution - QKD) bo uporabljena infrastruktura optičnih kablov Telekoma Slovenije. Kot pristaniška infrastruktura bo uporabljena infrastruktura Luke Koper, kjer bodo nameščene prostozračne optične povezave za vzpostavitev kvantnega kanala za generiranje šifrirnih ključev v pristanišču in na premikajočih ladijskih ploščadih. Proučili bomo možnosti za izboljšavo QKD-opreme, zmanjšanje njene mase in porabe energije (SWaP) za lažjo prihodnjo izvedbo vesoljskih optičnih povezav. To bi omogočilo varno komunikacijo med ladjami na globalnih razdaljah. Na področju komunikacij bomo v okviru projekta razvili varno komunikacijsko infrastrukturo za nemoteno povezovanje logističnih centrov, ladij s pristaniško infrastrukturo in ladij med seboj. Za povezovanje logističnih centrov s tehnologijo razdeljevanja kvantnih ključev (angl. Quantum Key Distribution - QKD) bo uporabljena infrastruktura optičnih kablov Telekoma Slovenije.

Poleg izjemne natančnosti je nujen tudi hiter odziv

Na področju senzorjev bo razvoj potekal v smeri kvantnih senzorjev za merjenje magnetnega polja, kvantnih pospeškometrov, kvantnih giroskopov in sorodnih principov kvantne interfemetrije, za katere namen se bodo izdelala specialna integrirana fotonična vezja. Možni primeri uporabe so senzorji za navigacijo, ki niso odvisni od satelitskih navigacijskih sistemov. Uporaba GNSS (Global Navigation Satellite Systems) predstavlja zelo uveljavljen in natančen sistem za navigacijo, vendar uporablja šibke radiofrekvenčne (RF) signale oddaljenih satelitov, ki pa so lahko izpostavljeni namernim in nenamernim motnjam. Starodavna navigacija, ki temelji na zemeljskem magnetnem polju, je v uporabi že stoletja in še vedno ponuja robustno navigacijo, neodvisno od vremenskih razmer, in ne zahteva dodatne posebne infrastrukture. V prisotnosti zemeljskega magnetnega polja je za učinkovito navigacijo potrebno zaznati zelo majhne spremembe magnetnega polja.

Zato ne preseneča, da neprestano razvijajo nove prenosne vektorske magnetne senzorje, ki premikajo meje natančnosti. Za uporabo v transportu (na premični platformi) morajo imeti senzorji poleg izjemne natančnosti tudi hiter odziv. Trenutno so v široki uporabi naslednji vektorski magnetni senzorji: (i) Hallovi senzorji, (ii) magnetouporovni senzorji ter (iii) senzorji magnetnega pretoka (t.i. fluxgate senzorji).

Kvantna tehnologija pa ponuja nove alternativne variante senzorjev, s katerimi bi lahko še dodatno premaknili meje natančnosti. Dušikovi centri sklopljeni z vrzelmi v diamantih (t.i. NV centri) se lahko uporabljajo kot odličen kvantni senzor vektorskega magnetnega polja z visoko prostorsko ločljivostjo, so tehnično precej enostavni za uporabo ter dobro delujejo v različnih atmosferskih pogojih. Eden od ciljev tega projekta je torej razvoj kvantnega senzorja magnetnih polj z uporabo NV centrov v laboratorijskih pogojih, kjer bi testirali tako natančnost metode kot tudi robustnost metode napram zunanjim vplivom (npr. temperatura in tlak).

Projektna skupina bo na vseh sodelujočih članicah UL posebno pozornost namenila usposabljanju mladih kadrov, s poudarkom na podoktorskih raziskovalcih in kariernem razvoju raziskovalcev srednje generacije. Praktično vsi obstoječi in tudi bodoči mladi raziskovalci in dodatni doktorandi, katerih mentorji so ključni raziskovalci na projektu, bodo aktivno sodelovali na tematiki KTTK21.

Usposabljanje ter vključevanje mladih kadrov s fakultet UL FMF in UL FE že dalj časa poteka tudi z Nanocentrom, kjer se študenti ter mladi raziskovalci vključujejo v delo na nacionalnih in mednarodnih raziskovalnih projektih. V projekt so vključeni tudi pomembni raziskovalni in gospodarski partnerji, kot je Fraunhofer inštitut, Luka Koper d.d., Telekom d.d., Digiteh in druga podjetja, ki v svoje procese vključujejo visokotehnološke rešitve.

Namen je izdelati kvantni algoritem za optimizacijo logističnih procesov.

Varne komunikacije so ključne za operabilnost transportnih sistemov.