Technologie

Quantensoftware für die Wirtschaft

13.01.2022 - Physiker entwerfen Quantenalgorithmen für Optimierungsprobleme der Industrie.

Am 1. Januar ist das Verbundprojekt Quantum Methods and Benchmarks for Resource Allocation, kurz QuBRA gestartet. In einem Verbund aus Forschung und Industrie will das Projekt zeigen, welche konkreten Vorteile Quanten­technologien gegenüber heute bereits vorhandenen Algorithmen bieten könnten, um so das Zukunfts­versprechen der Quanten­computer einzulösen. Geleitet wird der Verbund von der Leibniz-Universität Hannover. Akademische Partner mit Expertise in Quanten- sowie klassischer Informations­verarbeitung sind die Universität zu Köln, die Ruhr-Universität Bochum und die TU Braunschweig. Konkrete Anwendungs­beispiele sollen in Zusammenarbeit mit der Infineon Technologies AG und der Volkswagen AG entwickelt werden. Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit drei Millionen Euro über drei Jahre.

Quantencomputer versprechen ungekannte Rechenpower und damit die Lösung von Problemen, an denen klassische Rechner bisher scheitern. Erste Prototypen existieren, können jedoch nur Frage­stellungen lösen, die keinen praktischen Anwendungs­bezug haben. „Unter Anwendern in der Industrie gibt es große Unsicherheit darüber, für welche Frage­stellungen Quanten­computer vorteilhaft sein können“, sagt David Gross, Professor für theoretische Physik an der Uni Köln und Partner im QuBRA-Verbund. „Leider sind wir noch weit davon entfernt, eine einfache Antwort geben zu können.“ Um dieser Antwort näher zu kommen und einen möglichen Einsatz von Quanten­algorithmen in industriellen Prozessen zu finden, bedarf es der engen Zusammen­arbeit von Grundlagen­forschung und Praxis.

Ein Beispiel: Für die Herstellung von Gütern vom Mikrochip bis zum Automobil müssen Daten von Kunden, Zulieferern und den eigenen Fabriken zusammen­geführt werden, um die Auslastung der kapital­intensiven Produktions­anlagen zu maximieren. Selbst kleine Lösungs­verbesserung dieses Optimierungs­problems kann zu wirtschaft­lichen Vorteilen in Millionen­höhe führen.

Mariami Gachechiladze, die mit Abschlüssen sowohl in Informatik wie auch in Quantenphysik in der Arbeits­gruppe für Quanten­informations­theorie an der Universität zu Köln forscht und zu Anfang Februar eine Professur für Informatik an der TU Darmstadt annimmt, erklärt: „In der Informatik werden solche Optimierungen in die Klasse der NP-schweren Rechen­probleme eingeordnet. In welchem Umfang es für sie einen Quanten­vorteil gegenüber konkur­rierenden klassischen Algorithmen gibt, und wie genau man diesen Vorteil ausnutzen kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.“ Um das zu klären, haben sich die akademischen Experten mit den Forschungs­abteilungen der beiden DAX-Konzerne zusammen­getan.

Um Fortschritte zu machen, werden die Physiker zunächst Quanten­algorithmen für Optimierungs­probleme entwerfen, die bei den Industrie­partnern in der Praxis auftreten. Das inter­disziplinäre Team wird sie dann auf großen klassischen Computern und früher Quanten­hardware testen – und gegen herkömm­liche Lösungen antreten lassen. Auf diese Art werden die Parameter­bereiche identi­fiziert werden, in denen sich zukünftig der Einsatz von Quanten­computern lohnt.

Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Förder­maßnahme „Anwendungs­netzwerk für das Quanten­computing“. In dieser Förder­maßnahme wird das Ziel verfolgt, den Nachweis praktischer Anwender­vorteile durch die Nutzung eines Quanten­computers zu erbringen, oder zumindest die Grundlagen hierfür zu erschließen. Für definierte Anwendungs­gebiete in Wirtschaft oder Wissenschaft soll ein nützlicher Quanten­vorteil erzielt werden. Die Förder­maßnahme ist Bestandteil des Rahmen­programms „Quanten­technologien – von den Grundlagen zum Markt“ und damit Teil der Hightech-Strategie der Bundes­regierung.

U. zu Köln / RK

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