Zukunftspotenziale von Quantencomputing für Industrie und Wirtschaft – Was wird Quantencomputing wann möglich machen?

Zukunftspotenziale von Quantencomputing für Industrie und Wirtschaft
Was wird Quantencomputing wann möglich machen?

Wieder ein Tag voller Termine. Und natürlich wollen Sie pünktlich sein. Doch der Berufsverkehr lässt den Morgen wie immer mit einer Zerreißprobe für die Nerven beginnen: Nach dem Prinzip „Stop and Go“ quälen Sie sich mit Ihrem Fahrzeug von Ampel zu Ampel. Vorbei an Baustellen, Spurverengungen und überlasteten Kreuzungen. Sie fragen sich, ob man den Verkehrsfluss durch die Stadt nicht geschickter regeln könnte – erkennen aber auch, dass Verkehrsplaner angesichts der Komplexität urbaner Straßennetze vor einer schier übermenschlichen Herausforderung stehen. Gibt es trotzdem eine Lösung? Ja, in naher Zukunft. Quantencomputing macht’s möglich …

Quantencomputing (QC) ist heute überall im Gespräch, wo es um besonders leistungsstarke Rechner geht – erst recht, seit der bayerische Ministerpräsident Markus Söder die Technologie als „Warp-Antrieb für die Forschung der Zukunft“ bezeichnet [1] und die Bayerische Staatsregierung in der Hightech Agenda Plus ein insgesamt 300 Millionen Euro schweres Förderprogramm für die QuantenTech Vision Bayern bereitgestellt hat [2]. Doch bis heute haben viele Menschen noch sehr diffuse Vorstellungen über die Funktionsweise und möglichen Anwendungsbereiche von Quanten-Computern – und das auch in Wirtschaft und Industrie, obwohl die neue Technologie unsere Welt mittelfristig ähnlich revolutionieren kann wie Konrad Zuses „Z1“ und der heute allgegenwärtige Personal Computer.

QAR-Lab: Systematischer Aufbau der Quanten-Kompetenz von der Forschung bis zur Anwender-Ebene

Wir als QAR-Lab haben es uns zum Ziel gesetzt, das Potenzial von Quantencomputing zu erforschen, die existierende Hardware zu testen und das Quantencomputing in die Anwendung zu bringen. Wirtschaft und Industrie sollen einen möglichst einfachen Zugang zu der neuen Technologie erhalten. 
Das QAR-Lab wurde im Jahr 2016 von Frau Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien am Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme der LMU München ins Leben gerufen. „Unser Ziel ist“, sagt Prof. Dr. Linnhoff-Popien, „zum einen Grundlagenforschung zu betreiben und zum anderen die Quanten-Technologie für praxisnahe Anwendungen nutzbar zu machen.“ 

Unsere Mission im QAR-Labs besteht darin,

  • in Forschung und Lehre die Quanten-Experten der Zukunft heranzubilden
  • für unterschiedlichste Branchen mithilfe von Quantencomputing einen frühen Quanten-Vorteil in den Bereichen Optimierung und Künstliche Intelligenz zu erschließen
  • durch eine eigens entwickelte Middleware (UQO-Plattform) eine architekturunabhängige Programmierung von Quanten-Computern zu ermöglichen
  • unter der Bezeichnung CAQAO eine Lernplattform zur Vermittlung von Programmierkenntnissen für Quantencomputing einzurichten
  • Anwenderkompetenz für Quantencomputing aufzubauen, um die neue Technologie einem breiten Nutzerkreis in der Industrie zugänglich zu machen – etwa durch Workshops oder Vorträge und die Identifizierung möglicher Use Cases

Zur Evaluierung diverser QC-Systeme nutzen wir verschiedene Quanten-Computer und greifen über die Cloud auf die Rechner von IBM, Fujitsu, D-Wave Systems und Rigetti zu. Wir führen „Challenges“ mit praxisnahen Anwendungsszenarien durch, in denen unterschiedliche Hardware- und Programmierstrategien zur Lösung spezifischer Aufgaben erprobt werden.

QAR-Lab „Quantum Computing Optimization Challenge“

Im Frühjahr 2021 veranstaltete wir im QAR-Lab eine QC-Programmier-Challenge, in der auf jeweils vier Quanten-Computern fünf Use Cases der Unternehmen BASF, BMW, SAP, Siemens und Trumpf berechnet wurden, um herauszufinden, welcher Computer für welchen Anwendungsfall die besten Ergebnisse liefert. Im November 2021 folgte eine zweite Challenge mit den Unternehmen E.ON, Evonik Industries und BAYER.

Zum Einsatz kamen die folgenden Gate-Model- bzw. Annealing-basierten Rechner:

  • IBM Q System One
  • Rigetti Aspen-9
  • Fujitsu DAU
  • D-Wave Advantage

Die teilnehmenden Studierenden der LMU München mussten sich vor dem Beginn des Experiments erst aufwendig mit der Bedienung der Quanten-Computer vertraut machen. Dazu gehörte aufgrund der fehlenden Standardisierung auch die Einarbeitung in die verschiedenen Software Development Kits (SDKs) der einzelnen Rechner.

Quantencomputing auch für Nicht-Spezialisten nutzbar machen

Ziel der Challenge war u. a., in Zusammenhang mit den unterschiedlichen Use Cases Erkenntnisse zu Performanz, Rauschen und den Anwendererfahrungen beim Zugriff auf die Quanten-Computer zu erlangen. Dazu Prof. Dr. Linnhoff-Popien: „Deutschlandweit gibt es bislang keine weiteren vergleichbaren Versuchsanordnungen, in denen Studierende derart umfassend Erfahrung mit der Programmierung von Quanten-Computern sammeln können – da ist das QAR-Lab derzeit führend. Unser Ziel ist, Quantencomputing zugänglicher und auch für Nicht-Spezialisten umfänglich wirtschaftlich nutzbar zu machen, um Unternehmen und Institutionen einen frühen Quanten-Vorteil zu verschaffen.“

Die Herausforderung: Awareness für die Bandbreite möglicher Anwendungen wecken

„Bislang ist Quantencomputing eine Angelegenheit von Spezialisten, die mit hardware-naher Programmierung sehr tief in die Systeme eingreifen“, sagt Prof. Dr. Linnhoff-Popien. „Wir stehen heute mit Quantencomputing vor einer ähnlichen Situation wie vor etwa 50 Jahren mit dem Personal Computer. Und genauso wie der PC wird der Quanten-Computer in naher Zukunft auch für nicht spezialisierte Anwender bedienbar sein. Software-Entwickler suchen heute schon nach Wegen, das Arbeiten mit einem Quanten-Computer intuitiver zu gestalten. Jetzt gilt es vor allem, das Bewusstsein dafür zu wecken, wo der Quanten-Computer überall seine Vorteile ausspielen kann.“ 

Die fünf QC-Level des QAR-Lab: Wann werden Unternehmen einen Quanten-Vorteil erzielen können?

Unsere Wissenschaftler des QAR-Lab rechnen damit, dass Unternehmen in den kommenden fünf bis zehn Jahren ihre ersten wirtschaftlichen Quanten-Vorteile realisieren können. Um zu evaluieren, wo ein Unternehmen bereits steht, wird die jeweilige Firma mit ihren Use Cases nach dem QAR-Lab-Modell aus fünf QC-Levels eingestuft. Auf diese Weise ermittelt man schrittweise den Bedarf für spezifische Use Cases und den voraussichtlichen Zeitrahmen für die Erzielung des Quanten-Vorteils:

QC-Level 0 (Thinking)
Es besteht ein Bewusstsein darüber, dass Quantencomputing für bestimmte Prozesse Performance und Effizienz deutlich steigern könnte.

QC-Level 1 (Classification)
Es besteht ein Bewusstsein darüber, dass sich wirtschaftliche Vorteile mit QC in den Bereichen Optimierung, Simulation und Künstliche Intelligenz erzielen lassen.

QC-Level 2 (Discovery)
Das Unternehmen hat bereits eine Liste potenzieller Use Cases für QC gesammelt.

QC-Level 3 (Selection)
Nach den vier Kriterien des QAR-Lab (schwere, wichtige, passende und frühe Anwendungsfälle) werden die potenziellen Use Cases gewichtet und ein Favorit ermittelt.

QC-Level 4 (Implementation)
Der favorisierte Use Case wird auf mehreren unterschiedlichen Quanten-Computern umgesetzt. Die Resultate werden anschließend hinsichtlich Laufzeit und Qualität der Lösung miteinander verglichen.

QC-Level 5 (Prediction)
Nach der Auswertung des Vergleichs verschiedener QC-Systeme und der Ermittlung des Bedarfs an Qubits prognostizieren unsere QAR-Lab-Experten, wann die erforderliche Hardware verfügbar sein wird und sich ein früher Quanten-Vorteil erreichen lässt.

Wer kann von Quantum Computing profitieren?

Quantumcomputing wird künftig fast alle Wirtschafts- und Industriezweige sowie gesellschaftliche Bereiche durchdringen und wesentlich dazu beitragen, komplexeste Abläufe wie das eingangs aufgezeigte Szenario der urbanen Verkehrsplanung effizient zu lösen. Dabei ist es heute schon für viele Unternehmen und Institutionen möglich, sich für einen frühen Quanten-Vorteil in Stellung zu bringen – und das QAR Lab arbeitet hierbei an:

  • Identifizierung von Anwendungsfeldern und Use Cases
    In welchen Anwendungsbereichen lassen sich in einer spezifischen Branche mit Quanten-Technologie komplexe Aufgaben lösen und echte Wettbewerbsvorteile erzielen? 
  • Implementierung von Quantencomputing-Lösungen
    Wir erarbeiten gemeinsam mit dem Unternehmen oder der Institution auf Basis der Quanten-Technologie Lösungsansätze für spezifische Aufgabenstellungen. Dabei lernen die Partner Quanten-Algorithmen kennen und verstehen.
  • Wahl der passenden Quanten-Hardware
    Nicht jeder Quanten-Computer ist für eine spezifische Aufgabe gleich gut geeignet. Wir pflegen enge Partnerschaften zu namhaften Herstellern von Quanten-Hardware. Auf drei Quanten-Computern und einem quanten-inspirierten Annealer erproben wir die Performanz von Rechnerarchitekturen, um bestmögliche Ergebnisse für spezifische Anwendungsfälle zu erforschen. 

Konkrete Anwendungsfälle: In welchen Bereichen wird Quantencomputing künftig unsere Welt revolutionieren?

Quantencomputing ist für alle Anwendungen interessant, bei denen unsere heutigen Computer an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Wir  legen hier in der Forschung die Schwerpunkte derzeit auf die Bereiche

  • Optimierung
  • Quantenunterstützte Künstliche Intelligenz

Ein typischer Anwendungsfall, in dem sich Quantencomputing als äußerst leistungsstark erweist, sind Lösungen, die aufgrund der vielen zu berücksichtigenden Parameter einen enormen Rechenaufwand erfordern.  

Quanten-Pilotprojekt bei der Volkswagen AG
So startete die Volkswagen AG bereits 2019 in Lissabon das weltweit erste Quanten-Pilotprojekt zur Optimierung des Verkehrsflusses (Capacitated Vehicle Routing Problem): Neun Fahrzeuge der städtischen MAN-Busflotte wurden in ein QC-System eingebunden, das auf einem Quanten-Computer von D-Wave basiert. Das Ziel war, Staus und Störungen rechtzeitig zu erkennen und fast in Echtzeit die schnellste Route zum Ziel zu wählen [3]. In einem weiteren Projekt gelang es Volkswagen, mithilfe von Quantencomputing die Fahrzeiten von 10.000 Taxis im Verkehr der chinesischen Mega-Metropole Beijing deutlich zu verkürzen [4].Quantencomputing ist somit eine Anwendung, die nicht nur für die Verkehrsplaner von Großstädten, sondern auch für den Logistik-, Transport- und Reise-Sektor im Allgemeinen enorme Vorteile verspricht.

Quantencomputing im Automotive-Bereich bei der BMW Group
Auch die BMW Group erkundet die Möglichkeiten des Quantencomputing im Automotive-Bereich und richtete im Sommer 2021 unter Einbeziehung der globalen Quantencomputing Community eine Challenge mit vier Schwerpunkten aus [5]:

  • Optimierung von Sensor-Positionen für automatisierte Fahrfunktionen
  • Simulation von Material-Deformationen im Produktionsprozess
  • Optimierung der Konfiguration von Vorserien-Fahrzeugen
  • Maschinelles Lernen für automatisierte Qualitätsanalysen

Besonders interessant im Umfeld der industriellen Produktion: die Optimierung der Positionen und Wege von Roboterarmen entlang der Fertigungslinien sowie neue Möglichkeiten der automatisierten Qualitätskontrolle und der vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance).

Die weiteren Einsatzpotenziale von Quantencomputing reichen von bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik über die chemische und pharmazeutische Industrie bis hin zu Datenschutzlösungen und Kryptografie oder Systemen zur hochpräzisen metrologischen Erfassung von elektrischen, magnetischen und Gravitations-Feldern, seismischen Schwingungen oder Geschwindigkeitsänderungen. Selbst Aktien-Portfolios lassen sich zur Gewinnmaximierung mithilfe von Quantum Computing optimieren.

Innovationen brauchen Partner: Politik hat Zukunftspotenzial der Quanten-Technologie erkannt

Wer Quantencomputing vorantreiben will, braucht starke Partner nicht nur in der Forschung und Wirtschaft, sondern auch treibende Kräfte in der Politik.

Im Januar 2021 verkündete die Bayerische Staatsregierung den Zusammenschluss der fünf großen Akteure der Münchener Quanten-Szene zur Initiative Munich Quantum Valley.  Dem Verbund gehören die Bayerische Akademie der Wissenschaften, die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, die Ludwig-Maximilians-Universität München und die Technische Universität München an. Ziel ist, Bayerns führende Stellung im Bereich der Quantentechnologie-Forschung nicht nur gegenüber den anderen Bundesländern, sondern auch gegenüber internationalen Hightech-Nationen wie den USA und China auszubauen. 

In einem Fünf-Punkte-Zukunftsplan [6] strebt die Bayerische Staatsregierung zudem an, der Quanten-Technologie durch Förderung von Start-ups und branchenübergreifender Innovationen zusätzliche Impulse zu verleihen. 

Eine wesentliche Rolle spielt in diesem Zusammenhang die QuantenTech Vision Bayern, deren Rahmen von Bayerns Digitalministerin Judith Gerlach, Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger, sowie Vertreterinnen und Vertretern von Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Wirtschaft festgelegt wurde: Es gilt, die umfangreichen Erkenntnisse aus der bayerischen Grundlagenforschung zur Quanten-Technologie direkt in industrielle Wertschöpfung umzusetzen. 

Das QAR-Lab und Bayern Innovativ: den technologischen Wandel mit Quantencomputing zügig umsetzen

Wir als QAR-Lab der LMU fokussieren uns auf die Grundlagenforschung, die Schulung von Anwenderkompetenzen und darauf, gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wirtschaft konkrete Use Cases zu identifizieren. Auch unser Partner Bayern Innovativ will Quantencomputing als Zukunftstechnologie möglichst schnell mit konkreten Applikationen „auf die Straße bringen“. Dazu Dr. Andreas Böhm, Projektmanager Technologie und Leiter Quantentechnologie bei Bayern Innovativ: „Wir haben bei der Digitalisierung gesehen, dass viele Firmen wichtige Innovationen und Transformationsschritte auf die lange Bank schieben, bis eine Notsituation wie die Corona-Pandemie zum Handeln zwingt. Diesen Fehler sollten wir mit der Quanten-Technologie vermeiden und rechtzeitig aktiv werden. Denn andere Länder sind auf einem ähnlichen Forschungsstand wie wir in Bayern, gehen aber schon jetzt viel anwendungsorientierter an das Thema heran.“

Starten Sie mit Quantencomputing

Erfahren Sie mehr über unsere Kooperationen mit der Wirtschaft und über mögliche Anwendungsgebiete im Bereich Quantencomputing.

[1] https://www.stmwk.bayern.de/allgemein/meldung/6629/quantum-integration-centre-in-garching-soll-bayern-als-fuehrenden-standort-beim-quantencomputing-etablieren.html
[2] https://www.munich-startup.de/78011/quantentech-vision-bayern-vorgestellt/
[3] https://www.volkswagenag.com/de/news/2019/10/volkswagen-optimizes-traffic-flow-with-quantum-computers.html
[4] https://www.volkswagen-newsroom.com/de/pressemitteilungen/forschungsprojekt-erfolgreich-volkswagen-it-experten-nutzen-quantencomputer-fuer-verkehrsfluss-optimierung-1303
[5]https://www.press.bmwgroup.com/deutschland/article/detail/T0337884DE/quantencomputing:-bmw-group-startet-crowd-innovation-initiative-quantum-computing-challenge-in-zusammenarbeit-mit-aws?language=de
[6] https://www.bayern.de/bericht-aus-der-kabinettssitzung-vom-14-september-2020/