QUANTENTECHNOLOGIEN IN DER WETTERVORHERSAGE

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Was?
Wettervorhersagen beruhen auf Simulationen, die Temperatur, Wind, Feuchtigkeit und Dutzende weiterer Größen an Millionen von Gitterpunkten berechnen – einzelnen Rechenpunkten, in die die Atmosphäre räumlich aufgeteilt wird. Heutige Supercomputer schaffen das – aber nur mit vereinfachten Modellen, die Wolkenbildung, Turbulenzen oder lokale Effekte oft nur grob abschätzen. Quantentechnologien könnten gleich an mehreren Stellen Vorteile bringen: Quantencomputer versprechen, bestimmte mathematische Engpässe der Simulation schneller zu lösen. Quantensensoren könnten die Ausgangsdaten – etwa Schwerefeld oder Atmosphärendruck – präziser erfassen. Das Ziel: Vorhersagen, die weiter in die Zukunft reichen und räumlich feiner aufgelöst sind.

Wofür?
Quantentechnologien haben das Potenzial, in der Wettervorhersage eingesetzt zu werden, um genauere und schnellere Vorhersagen zu ermöglichen. Dies ist besonders wichtig für die Vorhersage von extremen Wetterereignissen wie Stürmen, Überschwemmungen oder Hitzewellen. Bereits ein Tag zusätzliche Vorhersagegenauigkeit bei Extremwetter kann Evakuierungen ermöglichen und Milliardenschäden verhindern. Bessere Vorhersagen würden auch Landwirtschaft (Erntezeitpunkte), Energieversorgung (Wind- und Solarprognosen) und Luftfahrt (Routenoptimierung) zugutekommen. Langfristig könnten präzisere Klimamodelle dazu beitragen, regionale Folgen des Klimawandels besser vorherzusagen – etwa wo Dürren oder Starkregen zunehmen werden.

Wie?
Ein zentrales Problem der Wetterberechnung: Die Atmosphäre verhält sich nichtlinear – kleine Änderungen können große Auswirkungen haben. Um das abzubilden, müssen enorme Gleichungssysteme gelöst werden. Quantencomputer könnten hier bei bestimmten Rechenschritten einen Vorteil bieten, etwa bei der sogenannten Datenassimilation – dem Abgleich von Messdaten mit dem Modell – oder bei der Lösung großer linearer Gleichungssysteme, die einen Engpass heutiger Simulationen darstellen. Gleichzeitig könnten Quantensensoren atmosphärische Daten liefern, die heutigen Messinstrumenten entgehen. Die Kombination beider Ansätze – bessere Eingangsdaten und leistungsfähigere Berechnung – ist daher besonders interessant.

Ausblick:
Die praktische Anwendung steht noch am Anfang: Die Rechenleistung heutiger Quantencomputer ist zu gering, um realistische Wettermodelle zu berechnen. Erste Pilotstudien testen Quantenalgorithmen bisher nur an stark vereinfachten Teilproblemen. Dennoch investieren Wetterdienste und Forschungseinrichtungen weltweit in diese Richtung, weil der potenzielle Gewinn bei ausreichend leistungsfähigen Quantencomputern enorm wäre. In der Zwischenzeit könnten Quantensensoren als Erstes in der Praxis ankommen – sie erfordern keine großskalige Quantenhardware und verbessern die Datenbasis unabhängig davon, ob Quantencomputer oder klassische Computer die Berechnungen vornehmen.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1entwickelt hat.