Modellierung von Energienetzen – Versorgungsqualität durch Speicheranordnung
Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien am Produktionsmix erhöht die Volatilität in den Netzen, was die Versorgungsqualität und die Endbenutzergeräte gefährdet, Ausfälle erhöht und die Kosten der Versorgungsunternehmen in die Höhe treibt. Die Entscheidung über die beste Platzierung von Speichereinheiten im Netz ist rechnerisch schwer zu treffen.
Scheduling und Dienstplanoptimierung
Es ist rechnerisch schwierig, persönlichen Präferenzen von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gerecht zu werden und gleichzeitig die Zeit-, Qualifikations- und arbeitsrechtlichen Anforderungen des Arbeitgebers usw. zu erfüllen. Faire und robuste Schichtpläne – insbesondere für größere Gruppen von Mitarbeitern – sind dadurch sehr schwer zu erstellen.
Erkennung von Anomalien und Betrug in Finanztransaktionen
Betrügerische Finanztransaktionen bergen das Risiko hoher Verluste. Finanzinstitutionen benötigen eine automatische Erkennung abnormaler Transaktionen mit hoher Präzision und niedrigen Fehlerraten, um teure Interventionen zu reduzieren. Die zuverlässige und schnelle Durchführung dieser Aufgabe bei nicht gekennzeichneten Daten ist eine Herausforderung.
Modellierung von Energienetzen – Kostenoptimale Planung
Die zunehmende dezentralisierte Energieerzeugung und -nachfrage erfordert einen feinkörnigen Netzbetrieb und eine nahezu kostenoptimale Planung. Die Netzplanung einschließlich dieser Einheitsverpflichtung ist rechnerisch schwierig.
Sicherheitsbausteine für digitale Ökosysteme
In unserer digitalen Zukunft dreht sich alles um die Identität. Menschen tauschen Informationen jederzeit und überall aus. In dem entstehenden Ökosystem persönlicher Daten werden sowohl Sicherheit als auch Identitätsschutz zu einem zentralen Punkt. Quantencomputer sind dafür bekannt, dass sie die etablierten Sicherheitstechnologien herausfordern.
Wasseranomalieerkennung in öffentlichen Gebäuden
Vandalismus und Defekte an Wasserleitungen verursachen immense Kosten durch Wasserschäden. Langsam ansteigende Schäden werden oft sehr spät erkannt (nicht nur in Zeiten geringer Auslastung), was zu hohen Reparaturkosten und langen Ausfallzeiten führt.
Kommunale Register KI
Das Bundesgesetz verpflichtet die Verwaltung, ihre Dienstleistungen bis 2022 den Bürgerinnen und Bürgern online anzubieten. Bürgerinnen und Bürger sollen nicht verpflichtet werden, Daten einzugeben, die einer Behörde bereits bekannt sind. Dazu müssen die Daten zwischen den Registern ausgetauscht werden, auch wenn es oft noch keine eindeutigen Merkmale gibt.
Dynamic Vehicle Routing Problem
Das Dynamic Vehicle Routing Problem leitet eine Flotte von Fahrzeugen mit bestimmten Eigenschaften wie Kapazitäten in (komplexen) Diagrammen wie in Lagerhäusern oder in Städten. Die Aufgabe der Flotte ist der Transport von dynamisch aufkommendem Verkehr.
Routenplanung
Finden einer optimalen Route durch einen Graphen, der jede Kante besucht. Unternehmen mit großen Infrastrukturen (wie zum Beispiel Schienennetze) benötigen einen Inspektionsplan, der diese Infrastrukturen durch autonome Drohnen oder andere Fahrzeuge überwachen lässt.
Vorhersage von Material- und Prozesseigenschaften
Die Kosten, die mit dem Design und der Entdeckung von Materialien und Chemikalien mit maßgeschneiderten Eigenschaften und der Synthese von Materialkandidaten verbunden sind, können durch Simulationen gesenkt werden. Die Simulation der Eigenschaften von Materialien und Molekülen ist jedoch numerisch höchst anspruchsvoll und auf klassischen Computern schwierig hinreichend lösbar.
IP Traffic Engineering
Optische Transportschicht-Optimierung, IP-Verkehrstechnik und Planung von Quantenkommunikationsnetzen sind Disziplinen zur Optimierung der wichtigsten Vermögenswerte eines Telekommunikationsanbieters. Die Wahl eines optimalen Bereitstellungs-Footprints trägt dazu bei, Kosten zu sparen und gleichzeitig das beste Kundenerlebnis zu bieten.
Data Driven CRM
Besseres Kundenverständnis anhand von digitalen Fußabdrücken in Telekommunikationsnetzen.
Industrielle Produktionslinien
In fast jeder Fertigungs- oder Produktionsumgebung treten Probleme bei der Belegung von Fertigungsstationen auf. Sie selbst sind schwer zu lösen. Häufig geht dies mit anderen Optimierungsproblemen einher, die die Planung stören, wie z.B. die Schachtelung von Teilen im Beispiel einer Blechfertigung.
Anomalieerkennung in der Netzwerkkommunikation
Komplexe Angriffe auf die IT-Infrastruktur gefährden die Netzwerksicherheit. Zur Erkennung dieser ausgeklügelten Bedrohungsanomalien muss der Netzwerkfluss nahezu in Echtzeit analysiert werden. Maschinelle Lernverfahren werden eingesetzt, um die Sichtbarkeit möglicher Sicherheitsrisiken zu erhöhen.
Kapazitäts- und Umlaufoptimierung
Ausgehend von einer vorgegebenen Gleiszuweisung müssen Transportunternehmen ihre vorhandenen Fahrzeuge so disponieren, dass die Kapazitätsauslastung optimiert und ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist. Insbesondere wenn Abweichungen von der ursprünglichen Planung auftreten, ist eine schnelle Reaktion erforderlich.
Multi-Aircraft Routing
In Abstimmung mit Flugsicherungsorganisationen werden Trajektorien für Flugzeuge (i) im ungestörten Fall und für die Störungsfälle (ii) Gewitter, (iii) gesperrte Landebahn und (iv) gesperrter Luftraum errechnet. Aus diesen Berechnungen wird eine Prognose der Flugbahnen im Stundenbereich abgeleitet. Die Übertragung von Wegfindungsalgorithmen auf den Quantencomputer scheint hier vielversprechend zu sein.
Vorbeugende Wartung von Zügen
Im Bahnbetrieb werden state-of-the-art Erkenntnisse in Bezug auf quantengestütztes Machine Learning im Rahmen von Preventive Maintenance-Plänen benötigt. Das vorherzusagende Ereignis ist grundsätzlich das Versagen einer vitalen Komponente. Im genannten Fall sind es Leistungshalbleiter. Mit konventionellen Neuronalen Netzen erhält man bereits gute Ergebnisse, gemessen an den Fehlklassifikationswahrscheinlichkeiten. Ziel des neuen Use Cases ist die weitere Reduzierung der Fehlklassifikationswahrscheinlichkeiten mit Verfahren des quantenunterstützten Machine Learning (QNN usw.)
QKI zur assistierten COVID-19 Befundung und Entscheidungsunterstützung
Die Grundidee ist der Einsatz von Quanten-Computing zur Analyse von radiologischen Befunddaten Aufnahmen der Lunge und der umliegenden Organe in Bezug auf die Diagnose von Covid-19.
Quantum Rail Recovery
Öffentliche Verkehrsnetze auf der ganzen Welt sind extrem anfällig für geplante und ungeplante Unterbrechungen. Ein kleiner Zwischenfall oder öffentliche Proteste auf oder um ein Personenbahnnetz herum können zu systemweiten Verspätungen und Ausfällen führen. Die Verspätung eines einzelnen Zuges führt zu kaskadenartigen Effekten bei vielen weiteren Teilnehmern des Netzes und zu hohen Betriebsverlusten. Mathematische Programmieransätze zur Wiederherstellung des Netzes werden als Wiederherstellungsproblem für Zugführer oder Flugzeuge bezeichnet.
Quantum Organic Chemistry Pipelines
Die Herstellung von Medikamenten, wie z.B. Theophyllin zur therapeutischen Behandlung von Lungenkrankenheiten basiert auf der energieeffizienten Herstellung von Vorprodukten (z.B. Methylamin) in meist katalytischen Prozessen. Die genaue Vorhersage von Moleküleigenschaften und abgeleiteten Reaktionsraten sind wichtige Grundlagen zur Verbesserung der Energieeffizienz und damit Kostensenkung in der Vorproduktherstellung.
Stundenplanoptimierung für Schulen
Die einzelnen Entitäten (Fächer, Schüler, Lehrer, Klassen, Kurse, Jahrgangsstufen, Räume sowie weitere Ressourcen) bieten in Schulen sehr individuelle Bedingungen (z.B. Sport bevorzugt nachmittags in Doppelstunden, Ethik zur selben Zeit wie kath. Religion etc.) und neben der reinen Raum- und Stundenplanung könnte auch die Zuordnung zwischen Schüler und Klassen/Kurse für optimale Lerngruppen eine Rolle spielen.
Schachtelung und Revenue Management in der flexiblen Blechfertigung
Da eine flexible Blechfertigung zu großen Teilen ein Make-to-Order Geschäft ist, lassen sich Prinzipien des Revenue Managements (bekannt z.B. von Fluggesellschaften) anwenden. Beim Revenue Management muss der beste Weg gefunden werden, um Kapazität von hochprofitablen Aufträgen freizuhalten und trotzdem die Kapazität voll zu nutzen, da sie nicht lagerbar ist (z.B. Sitzplatz im Flugzeug, Maschinenstunde in der Produktion). Größter Unterschied ist hierbei, dass die variablen Kosten nicht gegen null gehen, sodass nicht der Erlös, sondern der Deckungsbeitrag maximiert werden muss. Zusätzlich kommt es in der Blechfertigung zu zwei Kapazitätsbeschränkungen: Zum einen durch die verfügbaren Maschinenstunden, zum anderen durch die Blechmaße und die durch das Layout entstehende Schachtelungsdichte.
Lageroptimierung
In der Produktion oder auch im Versandhandel müssen Güter aus dem Lager geholt oder dort abgelegt werden. Die Planung solcher Lager ist aufwendig und damit zeitintensiv, was dazu führt das eine Umsortierung im Lager zu Anpassung der Wegezeiten an die aktuelle Produktion oder Bestellsituation nicht vorgenommen wird. Durch maschinelles Lernen können Änderungen der aktuellen Anforderungen erkannt und daraus Prognosen erstellt werden. Als Reaktion darauf kann eine vorausschauende Umsortierung des Lagers vorgenommen werden. Dies ist aber nur möglich, wenn mit flexiblen Transportsystemen gearbeitet wird die zentral gesteuert werden.
QKD Network Optimization
Quantenkommunikationsnetzwerke dienen zur Abwehr der Gefahr der Quantencomputer, die mit Hilfe von Shor’s Algorithmus die Vertraulichkeit unserer Kommunikationsnetze angreifen. QKD (Quanten Key Distribution) Systeme sind eine mögliche Abwehrstrategie. Doch wie plant man Quantennetzwerke im großen Stil? Wie minimieren wir die Kosten eines möglichen Ausbaus? Das Ziel, die Kommunikationsnetze deutschlandweit zu sichern bedürfen immenser Investitionen.
Hochwasserschutz
Hochwasserereignisse sorgen immer wieder für Betroffenheit und werden häufig mit dem Klimawandel in Verbindung gesetzt. Die Art des Niederschlags hat sich in Folge des Klimawandels stark verändert. Je nach Beschaffenheit des Bodens versickert ein Teil des Wassers und taucht in natürlichen Quellen (Wasserkreislauf) auf. Nicht versickerndes Wasser fließt oberflächlich in Gewässer oder in die lokalen Abwassersysteme ab. Es kommt vermehrt zu einer Überlastung der Abwassersysteme und Gewässer bis hin zum Hochwasserereignissen. Die notwendigen Investitionen in Hochwasserschutz und in Abwassersysteme sind für Kommunen und Wasserverbände enorm. Hochwasser aufgrund plötzlich auftretender Starkregenereignisse kann nach aktuellem Stand schlecht vorhergesagt werden, dies gilt besonders abseits der großen Flüsse.
Personalmanagement in Krankenhäusern in Reaktion auf Krisen
Durch die Nutzung eines „QAGA (Quantum-Assisted Genetic Algorithms)“-Ansatz als Grundlage für eine QKI-Applikation sollen Krankenhäuser wesentlich leichter auf sich massiv ändernde Umstände in der Planung reagieren können. Dabei gilt es Verschiebungen im Personalbedarf durch die Krankenhäuser (Gesamtbedarf, aber auch Ort des Bedarfsanfalls) mit einem mehr oder weniger abrupten Sinken der zur Verfügung stehenden Personalkapazitäten (getrieben durch Krankheitswellen, Lock-Down usw.) miteinander zu vereinbaren.
Schaltkreiseplanung in der Informationsverarbeitung
Zur Planung von Schaltkreisen für Prozessoren und Speichermedien werden effektive Modelle für die Diffusion von Elektronen in den relevanten Materialien verwendet. Da die Schaltkreise immer kleiner werden und sich den Grenzen der Quantenmechanik annähern müssen die Parameter für die Effektiven Modelle aus Quantenmechanischen Rechnungen bestimmt werden.
Predictive Analytics bei Bevölkerungsentwicklungsprognosen
Die Bereitstellung von KI-basierten Bevölkerungsentwicklungsprognosen, sowie KI-basierten Infrastrukturplanungen tragen maßgeblich zur effizienten Stadtplanung bei. Es können so besser Entscheidungen getroffen werden, ob bspw. Neubaugebiete erschlossen werden (ein erstes KI-basiertes Modell dazu liegt vor) oder neue Schulen gebaut werden müssen. KI-basierte Planungshilfe in der Finanzverwaltung ermöglicht es, zukünftige Ausgaben effizienter zu verteilen. Ebenso ermöglicht KI im Verwaltungsbeschwerdemanagement durch genauere Vorhersagen, wo (bspw. Bereich, Amt, Bürgerleistung), welche Beschwerden eingehen, und welche Gegenmaßnahmen wirken.
Problemstellung
Eine effiziente und zielgerichtete Nutzung von Quantum Computing in realen Anwendungsszenarien setzt detaillierte Kenntnisse und vor allem Erfahrung im Umgang und der Nutzung entsprechender Technologien und Konzepte voraus. Gerade für KMU sind die Einstiegshürden daher groß, um sich durch Quantum Computing mit neuartigen Geschäftsmodellen und Produkten am Markt zu positionieren.
Zwar gibt es eine große Anzahl an Algorithmen für Quantencomputer, etwa auf Webseiten, in Lehrbüchern und wissenschaftlichen Publikationen - welcher Algorithmus jedoch in welcher Situation verwendet werden kann und wie Algorithmen auf einem herstellerspezifischen Quantencomputer ausgeführt werden können, verlangt ein umfassendes Verständnis der Theorie und Technologie. Selbst wenn passende Algorithmen gefunden werden, benötigt deren Umsetzung in ausführbare Programme, die einen Mehrwert liefern, tiefe Kenntnisse der Entwicklungsumgebung der jeweiligen Quantencomputer.
Aufgrund der Komplexität und Neuartigkeit dieser technologischen Trends fehlt ein einfacher Zugang zum Knowhow, Daten, Algorithmen und Experten aus diesen Feldern und insbesondere der Wissensaustausch über offene Ökosysteme und Plattformen.
Deshalb ist die Bildung einer breiten Community auf Basis einer gemeinsamen Plattform für den Wissens- und Technologieaustausch für Quantum Computing eine Chance, die Wirtschaft und insbesondere viele KMU zu befähigen, beide Technologiefelder zum Einsatz zu bringen und einen Zugang zu diesen zukünftigen Schlüsseltechnologien zu gewährleisten.
Lösungsansatz
Genau hier setzt das Konzept von PlanQK an. Ziel ist die Entwicklung einer offenen Plattform und Ökosystem für Quantenappliaktionen zur Schaffung und Förderung eines entsprechenden Ökosystems aus Quantencomputing (QC)-Spezialisten, Entwicklern konkreter Anwendungen sowie Nutzern, Kunden, Dienstleistern und Beratern. Die PlanQK-Plattform liefert damit die technische Basis für den Aufbau einer Quantencomputing-Community. Die zentralen Artefakte sind dabei entsprechende Algorithmen, Applikationen sowie Datenpools, die aus verschiedenen Quellen stammen können.
Die PlanQK-Plattform ermöglicht die Aufnahme von Algorithmen aus Quellen wie beispielsweise dem Web, veröffentlichten Artikeln oder Büchern. Neben QC-Algorithmen spielen auch Daten eine zentrale Rolle und sollen über die Plattform verbreitet und vertrieben werden können. Entsprechende Datenpools können beispielsweise aus öffentlich zugänglichen Quellen oder auch von Nutzern und Kunden der PlanQK-Plattform stammen. Diese Algorithmen und Datenpools werden in einer speziellen Datenbank, dem PlanQK Algorithmus & Data Content Store abgelegt.
Eine öffentliche Community (analog zu einer Open-Source-Community) oder Spezialisten des PlanQK-Plattform-Betreibers können auf diese Datenbank zugreifen und die Algorithmen sowie die Datenpools analysieren, bereinigen, vereinheitlicht darstellen und ausführen. Als Ergebnis wird jeder so qualitätsgesicherte Algorithmus und eine Reihe von Datenpools in der PlanQK Community Plattform abgelegt. Die Datenpools dienen dabei zur Qualitätssicherung und Validierung indem sie es Kunden und der Community ermöglichen verschiedene Algorithmen zu vergleichen, beispielsweise indem die Datenpools als Trainings- und Testdaten genutzt werden.
Basierend auf den qualitätsgesicherten Algorithmen können nun Entwickler diese Algorithmen für die Ausführung auf einem Quantencomputer implementieren. Diese Programme, Quantum Services genannt, werden ebenfalls qualitätsgesichert und im PlanQK Quantum Service Store abgelegt.
Kunden der PlanQK-Plattform können dort nach Algorithmen und Daten suchen und entsprechende, qualitätsgesicherte Algorithmen und Datenpools kaufen, oder kostenlos bereitgestellte direkt verwenden. Ebenso können Programme, die solche Algorithmen implementieren, d.h. Quantum Services, gesucht, gekauft oder ggf. kostenlos konsumiert werden. Wenn ein Algorithmus oder ein Datenpool für ein bestimmtes Problem bzw. eine Domäne nicht gefunden wird oder wenn ein Algorithmus nicht durch ein Programm implementiert vorliegt, kann der Kunde entsprechende Anforderungen an die Community, Dienstleister oder auch den Plattform-Betreiber stellen.
Wenn ein Kauf getätigt wird, werden seitens der Plattform der Algorithmus bzw. das Programm und ggfs. entsprechende Datenpools automatisch paketiert und an den Quantencomputer übermittelt, sowie anschließend die Rechnungsstellung für konsumierte Ressourcen übernommen.
„PlanQK bietet Unternehmen aller Branchen und Größen eine umfassende Plattform für Quantencomputing und KI und direkten Zugang zu einer umfassenden Community aus Experten, Beratern und Dienstleistern. So können wir gemeinsam in diesem großen Zukunftsmarkt mindestens in Europa, perspektivisch auch weltweit, eine signifikante Rolle spielen.“
Andreas Liebing, CEO, StoneOne AG
PlanQK vs Entwicklungsumgebungen für Quanten-Software
Es gibt eine ganze Reihe von Entwicklungsumgebungen (oder SDKs - Software Development Kits [1]) für Quanten-Software (siehe etwa [2], [3]): IBM bietet QisKit an, Rigetti stellt Forest zur Verfügung, D-Wave etwa Ocean, usw. Die Entwicklungsumgebungen dieser Hersteller von Quantencomputern unterstützen im Allgemeinen lediglich ihre eigene Hardware. Um sich nicht auf eine einzelne Hardware festlegen zu müssen, bieten andere Firmen ohne eigene Quanten-Hardware daher Entwicklungsumgebungen an, mit denen Programme entwickelt werden können, die auf mehreren Quantencomputern laufen: Microsoft stellt das Quantum Development Kit QDK zur Verfügung, Zapata hat Orchestra im Angebot usw. Auch gibt es quelloffene SDKs wie etwa ProjectQ. Relativ spät (seit August 2020) hat nun auch Amazon ein Quanten SDK namens Braket angeboten, welches Hardware der Hersteller Rigetti, D-Wave und IonQ unterstützt.
PlanQK verfolgt einen vollkommen anderen Weg. Zunächst ist PlanQK keine Entwicklungsumgebung für Quantensoftware, sondern ist im Gegenteil absolut SDK-neutral: Die Quantensoftware, die in PlanQK zur Verfügung gestellt wird, kann mit beliebigen solcher Quanten SDKs erstellt werden: In der untenstehenden Abbildung sind diese SDKs im rot gestrichelten Bereich unten in der Mitte dargestellt. Diese Neutralität wird dadurch erzielt, dass in PlanQK das Konzept der Muster, also bewährte Lösungen wiederkehrender Probleme in der Domäne Quantencomputing, betont wird. Per Definitionem sind die Lösungen, die in solchen Mustern zu Verfügung gestellt werden, Implementierungs- und Herstellerneutral. Ein Muster verweist dann auf eventuell unterschiedliche Implementierungen, die mit Hilfe “irgendeines” Quanten SDKs erstellt wurde.
Auch verlangen Realisierungen von Anwendungen im Bereich des Quantencomputings im Allgemeinen die Lösung mehrerer Probleme. Ein SDK gibt hier keinerlei Hilfestellungen, in PlanQK aber sind die Muster in einer Mustersprache vernetzt und komplexe Probleme werden gelöst, indem man durch diese vernetzten Muster geleitet wird und einzelne Lösungen der Teilprobleme erhält. Ferner sind heutige Lösungen von Problemen des Quantencomputings hybride Software, bestehend aus mehreren “Modulen” klassischer Software, als auch eventuell aus mehreren “Modulen” von Quantenschaltkreisen. In PlanQK können alle diese Module in unterschiedlichsten Umgebungen mehrerer Hersteller ablaufen und werden von PlanQK dort sogar eingebracht (sog. Deployment).
Ferner fokussiert sich PlanQK auf relevante Anwendungsfälle der Industriepartner: Hierdurch wird Wissen aufgebaut, für welche (Teil-)Probleme Quantencomputer heute bzw. in wenigen Jahren realistisch nutzbar sind und vor allem, wie diese Nutzung geschieht [4]. Die Einzelschritte dieser Nutzbarmachung werden durch PlanQK direkt unterstützt. Gleichzeitig gibt es Komponenten in PlanQK, die Quantenalgorithmen bewerten, indem sie beurteilen, welche Quantencomputer eine erfolgreiche Ausführung wahrscheinlich machen.
[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Software_Development_Kit
[2] Frank Leymann, Johanna Barzen, Michael Falkenthal, Daniel Vietz, Benjamin Weder, et al. 2020. Quantum in the Cloud: Application Potentials and Research Opportunities. In Proceedings of the 10th International Conference on Cloud Computing and Service Science (CLOSER 2020). SciTePress, 9–24.
[3] LaRose, M., 2019. Overview and Comparison of Gate Level Quantum Software Platforms. arXiv:1807.02500v2.
[4] Frank Leymann, Johanna Barzen (2020): The bitter truth about gate-based quantum algorithms in the NISQ era. In: Quantum Sci. Technol. 2020.