Slovenija s svojim geostrateškim položajem in razvitim logističnim sektorjem predstavlja naravno okolje za razvoj in vpeljavo inovativnih tehnologij v prometu, komunikaciji in logistki.
Po drugi strani Univerza v Ljubljani premore vrsto vrhunskih raziskovalcev na področju kvantnih tehnologij, ki ponuja vrsto revolucionarnih rešitev na teh področjih. Osnovna ideja predlaganega projekta je tako združiti razvojni in raziskovalni potencial različnih raziskovalnih skupin na UL na eni strani ter razvojnih oddelkov v relevantnih gospodarskih družbah na drugi strani, s ciljem razvoja in implementacije prebojnih kvantnih tehnologij na področju prometa in komunikacij. Promet je ključen za normalno delovanje gospodarstva in družbe. Transportni sistemi prihodnosti bodo morali biti okoljsko sprejemljivi, varni, razpoložljivi in robustni. Na področju prometa najdemo številne probleme, ki predstavljajo velik izziv za obstoječe tehnologije, bi pa jih lahko učinkovito naslovili z uporabo porajajočih se kvantnih tehnologij (KT), denimo optimizacija poti vozil in plovil ter navigacija v zahtevnih pogojih, 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. Poleg znanstvenoraziskovalnih izzivov bomo prvo leto izkoristili za medsebojno mreženje s serijo srečanj pri posameznih partnerjih s ciljem izostritve interdisciplinarnih izzivov petletnega projekta preko celotne tehnološko-inovacijske vertikale in medfakultetnega povezovanja mlajših raziskovalk in raziskovalcev (MR, post-dok, …).
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 dovolj 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. V okviru projekta bo potekal razvoj in preizkusi praktičnih prenosov QKD po optičnih vlaknih in prostozračno. Uporaba kvantnih fotonskih integriranih vezij, razvitih na FE, bo pomagala zmanjšati odtis QKD naprav. Velik izziv kvantnih tehnologij in še posebej kvantnih komunikacij je obvladovanje faznega šuma (termičnega šuma, ko naprava deluje v običajnem okolju pri nekriogenih temperaturah) in sinhronizacije med vozlišči. V okviru projekta se pričakuje razvoj intelektualne lastnine za odcepljeno podjetje na področju mikrovalovne fotonike za podporo kvantnim komunikacijam in kvantnemu računalništvu. S partnersko institucijo (Bundeswehr Technical Center for Ships and Naval Weapons, Maritime Technology and Research) nameravamo proučiti tudi možnosti uporabe KT na področju procesiranja signala v podvodni komunikaciji.
Računanje optimalne poti med različnimi lokacijami (problem “trgovskega potnika”) je izjemno zahteven računski problem, saj število možnih poti narašča eksponentno s številom lokacij. Problem spada v družino problemov, ki jih ni mogoče učinkovito rešiti s poznanimi klasičnimi algoritmi, zato se običajno uporablja različne hevristične metode, ki najdejo solidno rešitev, ki pa ni nujno optimalna. Kvantni računalniki obetajo preboj na tem področju, kar bi zmanjšalo stroške, skrajšalo dobavne roke in zmanjšalo onesnaževanje okolja. V okviru projekta bomo najprej v sodelovanju z Luko Koper identificirali konkretne izzive, kjer obstoječe programske rešitve ne zadoščajo. Proučili bomo teoretične osnove trenutnih rešitev in ugotovili, ali so njihove omejitve fundamentalne ali izvirajo iz pomanjkljivosti trenutnih implementacijah. Identificirali bomo klasične in kvantne računske platforme ter algoritme z največjim potencialom za reševanje omenjenih problemov. Upoštevaje obsežne izkušnje, ki jih že imamo s klasično optimizacijo logistike, se bomo posebej osredotočili na kvantne algoritme, tako na računalnikih s kvantnimi vrati kot adiabatskimi kvantnimi računalniki. Prav tako bomo raziskovali hibridne rešitve, kot so kvantno strojno učenje, adiabatski gradientni spust ali kvantni približni optimizacijski algoritmi (QAOA). Proučili bomo možnost reševanje nalog tipa QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) z uporabo hibridnega algoritma VQE (Variational Quantum Eigensolver) in algoritma QAOA. Konkretna aplikacija se bo predvidoma nanašala na problem “vehicle routing problem with time windows” (VRPTW) za železniški ali interni cestni promet ali na področje optimiranja delovanja kontejnerskega terminala in razporejanja kontejnerjev z namenom zmanjšanja transportnih poti, števila premikov in porabe skladiščne površine. Razvili bomo 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). Navedene in morebitne druge obetavne algoritme bomo implementirali z uporabo različnih programskih jezikov od nizkonivojskih, kot je Qiskit, ki že omogočajo implementacijo na obstoječih platformah, do visokonivojskih, kot je Qrisp, pri razvoju katerega nameravamo sodelovati z institutom Fraunhofer. Implementacije bomo ocenili glede na njihovo učinkovitost, ki bo pokazatelj tega, kako hitro se rešitve lahko uporabijo v praksi, ter glede na modularnost in izraznost, ki odraža potencial za razvoj programske opreme v srednjeročni prihodnosti. Poleg razvoja novih algoritmov in aplikacij, so za kvantno računalništvo bistvenega pomena tudi preprosti dokazljivo klasično težki in kvantno rešljivi modeli, ki služijo kot rigorozni test za kvantne tehnologije in jih bomo nadalje razvijali v okviru projekta.
Izpad satelitske navigacije bi ohromil številne sektorje gospodarstva. Ker so satelitski signali zelo šibki, je motilne sisteme razmeroma lahko izdelati in uporabiti ter tako ustvariti nesimetrično visoke stroške nasprotniku. V okviru projekta bomo razvijali kvantne senzorje, ki bodo omogočali izboljšavo natančnost sprejemnikov globalnega satelitskega navigacijskega sistema kot tudi navigacijo v primeru izpada satelitskega sistema. Razvoj bo 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 fotonska vezja. Posebej bomo raziskovali uporabo kvantno izboljšane interferometrije in uporabo kvantnih optomehanskih sistemov za implementacijo visoko natančnih senzorjev. Obravnavali bomo opto-mehanske sisteme optično ujetih dielektričnih delcev ter optično-mehanske konzole. Raziskali bomo primernost obeh arhitektur za doseganje občutljivosti, ki presega možnosti klasičnih senzorjev v realnem okolju. Proučili bomo tudi kvantno okrepljeno optično odčitavanja položaja pritrjene ali električno ujete testne mase za zelo natančne meritve gravitacije in pospeška. Preučili bomo možnosti integracije visoko natančnih žiroskopov in pospeškometrov s projektom SABUVIS II, ki ga konzorcij treh fakultet UL izvaja za EDA-o (European Defense Agency) in v sklopu katerega se razvija podvodni dron, kjer navigacija temelji na procesiranju sonarske slike in inercialnih sistemih, kjer bi v obeh metodah kvantno računaje omogočilo bistveno večjo natančnost. V sklopu projekta bomo razvili teoretične metode za meritev linearnih pospeškov ter rotacij z optično ujetimi nanodelci z adaptacijo v realnem času. Za zmanjšanje začetnega tveganja bomo sprva razvili večmodalno zaznavanje v okviru Gaussovih sistemov, kar bo služilo tudi kot referenca za kasnejše raziskave v širšem režimu snovnega valovanja. Raziskali bomo združevanje (kvantnih) optičnih komunikacij z radarsko tehniko v enovit sistem kvantnih komunikacij in kvantnega daljinskega zaznavanja. Učinkovita nova kvantna komunikacijsko-senzorska infrastruktura bo prinesla izboljšane postopke kooperativnega (sodelovalnega) pozicioniranja, ki pripomore pri navigaciji ladij v primeru izpada ali nedelovanja satelitskega navigacijskega sistema. To bo prineslo nove raziskovalne izzive na področju kvantnega radarja. V okviru projekta bodo izboljšani in razviti deterministični in verjetnostni algoritmi za lokalizacijo.
