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Opportunities and challenges of quantum computing for climate modeling

Schwabe, Mierk und Pastori, Lorenzo und de Vega, Inés und Gentine, Pierre und Iapichino, Luigi und Lahtinen, Valtteri und Leib, Martin und Lorenz, Jeanette Miriam und Eyring, Veronika (2025) Opportunities and challenges of quantum computing for climate modeling. Environmental data science, 4, e35. Cambridge University Press. doi: 10.1017/eds.2025.10010. ISSN 2634-4602.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
1MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1017/eds.2025.10010

Kurzfassung

Adaptation to climate change requires robust climate projections, yet the uncertainty in these projections performed by ensembles of Earth system models (ESMs) remains large. This is mainly due to uncertainties in the representation of subgrid-scale processes such as turbulence or convection that are partly alleviated at higher resolution. New developments in machine learning-based hybrid ESMs demonstrate great potential for systematically reduced errors compared to traditional ESMs. Building on the work of hybrid (physics + AI) ESMs, we here discuss the additional potential of further improving and accelerating climate models with quantum computing. We discuss how quantum computers could accelerate climate models by solving the underlying differential equations faster, how quantum machine learning could better represent subgrid-scale phenomena in ESMs even with currently available noisy intermediate-scale quantum devices, how quantum algorithms aimed at solving optimization problems could assist in tuning the many parameters in ESMs, a currently time-consuming and challenging process, and how quantum computers could aid in the analysis of climate models. We also discuss hurdles and obstacles facing current quantum computing paradigms. Strong interdisciplinary collaboration between climate scientists and quantum computing experts could help overcome these hurdles and harness the potential of quantum computing for this urgent topic.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/215400/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Opportunities and challenges of quantum computing for climate modeling
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Schwabe, MierkDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-6565-5890NICHT SPEZIFIZIERT
Pastori, LorenzoDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Vega, InésIQM Germany GmbH, München, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gentine, PierreLEAP, Columbia University, New York, NY, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Iapichino, LuigiLRZ, Garching b. München, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-3938-8973NICHT SPEZIFIZIERT
Lahtinen, ValtteriQuanscient Oy, Tampere, FinlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Leib, MartinIQM Germany GmbH, München, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lorenz, Jeanette MiriamFraunhofer IKS, München, Germanyhttps://orcid.org/0000-0001-6530-1873NICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Juli 2025
Erschienen in:Environmental data science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:4
DOI:10.1017/eds.2025.10010
Seitenbereich:e35
Verlag:Cambridge University Press
ISSN:2634-4602
Status:veröffentlicht
Stichwörter:climate modelling, quantum computing, quantum machine learning, model tuning
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC AW - Anwendungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - Klim-QML
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Schwabe, Dr. Mierk
Hinterlegt am:22 Jul 2025 08:24
Letzte Änderung:29 Jul 2025 14:26

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