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Schnellere Berechnungen für die Produktion

Quantencomputing in der Produktionstechnik

An die Stelle des Bits tritt beim Quantencomputing das Quantenbit, kurz Qubit. (Bild: Fraunhofer-Institut IWU)

An die Stelle des Bits tritt beim Quantencomputing das Quantenbit, kurz Qubit. (Bild: Fraunhofer-Institut IWU)

FEM-Simulation

Der Einsatz von Quantencomputing verspricht für die Finite Elemente Methode (FEM) als eines der wichtigsten Tools zur Berechnung und Abbildung des physikalischen Verhaltens während des Fertigungsprozesses deutliche Laufzeitverbesserungen. Dazu wird das in der Regel sehr große Gleichungssystem, das als wesentlicher Schritt der FEM zu berechnen ist, mit einem Quantenverfahren für lineare Systeme gelöst. Das Verfahren löst dazu im Gegensatz von konventionellen numerischen Methoden die Fourier-transformierte Version des Gleichungssystems. Laufzeitvorteile resultieren daraus, dass sich die Fourier-Transformation besonders effizient mit Quantencomputern bestimmen lässt. Jedoch wachsen die Möglichkeiten dieses Quantenverfahrens erst mit der beschriebenen Weiterentwicklung der Hardware in den anwendungsrelevanten Bereich hinein. Dennoch lässt sich diese Methode bereits an einfach gewählten Fallbeispielen auf echten Quantencomputern untersuchen und so deren Funktionsweise etwa anhand der Bestimmung von Temperaturverteilungen demonstrieren.

Bahnabweichungen schätzen

Die Abschätzung der Einflüsse von Bahnabweichungen in Werkzeugmaschinen lässt sich mithilfe des probabilistischen Modells von Bayes’schen Netzen realisieren. Diese Methode hat zudem den Vorteil, dass sie auch mit unsicheren oder unvollständigen Daten arbeiten kann und eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Prozesskette erlaubt. Die Eigenschaften der Superposition und Verschränkung von Qubits ermöglichen, dass die Parameter eines Bayes’schen Netzes, das die Prozesskette widerspiegelt, mit einem Quantenalgorithmus effizient kodiert werden können. Am Beispiel einer Fräsapplikation konnte ein solches Quanten-Bayes’sche Netz umgesetzt und zur Bestimmung der Stärken von verschiedenen Einflussfaktoren auf Bahnabweichungen genutzt werden.

Lackierstraßen optimieren

Als weiteres Beispiel für die Anwendungen in der Produktion hat Volkswagen vor einiger Zeit eine Lösung des binären Lackierwerkstattproblems mithilfe eines Quantenrechners vorgestellt. Bei der Problemstellung handelt es sich um ein Modell zur Optimierung von Lackierstraßen mit dem Ziel, so selten wie möglich die Farbe zu wechseln, da dies zur Unterbrechung der Produktion führt. Diese recht einfache Problemstellung kann auf klassischen Rechnern oft weder effizient noch näherungsweise gelöst werden. Zudem musste in diesem Anwendungsfall mit einigen Vereinfachungen gearbeitet werden, da für reale Instanzen auf heutigen Quantenrechnern noch nicht ausreichend viele Qubits zur Verfügung stehen. Allerdings kann man anhand der aktuellen Beispiele bereits ableiten, dass perspektivisch eine effiziente Lösung dieser Problemstellung auf Quantenrechnern möglich wird.


Zentrum für Quantencomputing in der Produktionstechnik

Um die Potenziale des Quantencomputings in den unterschiedlichen Fachgebieten der Produktionstechnik weiter zu untersuchen und zukünftig daraus weitere Methoden und Algorithmen zu entwickeln, wurde in Sachsen ein Kompetenzzentrum für Quantencomputing – das QAPPS Center for Applied Quantum Computing Saxony QAPPS.Center – eingerichtet, in welchem die Fraunhofer-Institute IWU, IOSB-AST, IIS und IAIS sowie die Universitäten in Dresden und Leipzig beteiligt sind.

Die vier Fraunhofer-Institute und die zwei Universitäten wollen dabei ihre Kompetenzen in den einzelnen Fokusdomänen bündeln – beispielsweise in den Bereichen Produktion, Energiesysteme, Integrierte Schaltungen und Informationssysteme. Ziel ist es, Anwendungsszenarien für die Nutzung des Quantencomputing zu entwickeln, neue Fragestellungen der Grundlagenforschung im für dieses neue Themengebiet zu detektieren sowie Aus- und Weiterbildungskonzepte anzubieten.

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Grundsätzlich sollen Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit dem Fokus der industriellen Anwendung und Projekte mit dem Fokus Grundlagenforschung und Bildung initiiert werden.


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