Voor grote waterleidingbedrijven zoals Vitens is het essentieel om grootschalige netwerkmodellen snel te kunnen simuleren, zodat ze hun waternetwerken optimaal kunnen beheren. Deze simulaties worden onder andere gebruikt voor het bepalen van pijpwrijvingsparameters, kosteneffectief ontwerpen en lekdetectie. Vitens is met name opzoek naar het versnellen van deze berekeningen over grote netwerken.

Quantum computers hebben een enorme potentie om complexe netwerken sneller en efficiënter te simuleren. Vitens en het Quantum Application Lab (QAL) publiceerden onlangs een wetenschappelijk artikel over de mogelijkheden van quantumcomputing voor waterdistributienetwerken. QAL, een samenwerking van zes wetenschappelijke organisaties waaronder de UvA, onderzoekt de potentie van quantumcomputing voor diverse toepassingen. Dit project is door het Center voor Waterexpertise en Innovatie (CWI) van Vitens mede gefinancieerd.

Quantumalgoritmen testen

In het samenwerkingsproject hebben de wetenschappers verschillende quantumalgoritmen ontwikkeld en getest om de waterdistributie te simuleren en optimaliseren. Deze algoritmen modelleren de waterstroomsnelheid en druk in de waterdistributienetwerken. Het onderzoek was een Proof of Concept, wat betekent dat het voornamelijk de haalbaarheid van de computationele uitdagingen onderzoekt.

De onderzoekers hebben twee soorten quantumoplossingen getest. Allereerst een hybride methode, waarbij een deel van het berekeningen met quantumsoftware en een deel met klassieke software wordt uitgevoerd. Daarnaast hebben ze een methode getest waarbij alleen quantumalgorithmen worden gebruikt. De hybride methode leverde de meest accurate resultaten op, maar de onderzoekers stellen dat er meer onderzoek nodig is om schaalbaarheid van de methoden te bepalen. 

Breed toepasbaar

De ontwikkelde software voor dit onderzoek zou ook gebruikt kunnen worden voor andere toepassingen waarbij berekeningen aan grote netwerken worden gedaan. De software is daarom vrij toegankelijk op GitHub. Daarnaast zoekt Koen Leijnse, Innovation Officer bij QAL en een van de hoofdonderzoekers van het project, potentiële nieuwe projecten met waterbedrijven.

Leijnse presenteerde het project met Vitens in juni tijdens het 41ste IAHR World Congress in Singapore. Op deze manier kon hij de mogelijkheden van quantumsoftware demonstreren en tegelijkertijd inzicht krijgen in ontwikkelingen van partners binnen het veld. Potentiële nieuwe toepassingen voor quantumsoftware zijn onder andere overstromingsberekeningen, grondwaterstrooming simulaties, waterfiltratie en sedimentatie, verkenning van nieuwe materialen (in contact met water) en rDNA classificatie met quantum machine learning.

Geïnteresseerd in een samenwerking met QAL? Neem hier contact op met Koen Leijnse.

Wetenschappelijk artikel: Quantum simulation & optimization of water distribution networks