DESY und IonQ, ein führendes Unternehmen in der Quantencomputerbranche, haben erste Ergebnisse ihrer Zusammenarbeit bei der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme auf dem Quantensystem von IonQ präsentiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Quantencomputing bei der Lösung von Gleichungen mit mehreren Variablen in enger Verflechtung – wie zum Beispiel auf einem belebten Flughafen – das Potenzial hat, effektiver als das traditionelle klassische Rechnen zu sein. Eine Publikation zur Erläuterung des Projekts, das Teil der DESY-Quanteninitative ist, hat die Gruppe jetzt auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht.

Forscherinnen und Forscher von DESYs Zentrum für Quantentechnologie und -anwendungen (CQTA) und eines Teams von IonQ führten ihre kombinatorischen Optimierungen auf dem Aria-Quantencomputersystem von IonQ aus. Anhand des so genannten Flughafengate-Optimierungsproblems – einer vereinfachten Version des größeren sogenannten quadratischen Zuordnungsproblems (QAP) – demonstrierten sie hier das Potenzial von Quantencomputing bei der Bewältigung dieser Art von Anwendungen in der Luftfahrtindustrie. IonQ und DESY untersuchten, wie sie ankommende und abgehende Flüge mit passenden Flughafen-Gates abgleichen können. Ziel war es, die Kreuzungszeit (d.h. die Auswahl von Gates für Passagiere auf Anschlussflügen), die Zeit, die ein Flugzeug an einem Gate verweilt, und die Zeit zwischen dem Abflug eines Flugzeugs und der Ankunft eines neuen Flugzeugs zu minimieren. Bei dieser Optimierung müssen bewegliche und ineinandergreifende Variablen wie Wetterbedingungen, Betankungszeiten, Rotationen der Flugbesatzung oder die Zeit, die für das Aussteigen der Passagiere zwischen den Flügen benötigt wird, berücksichtigt werden.

Quantentechnische Verfahren, die für das Problem der Flugsteigzuweisung verwendet wurden, sind auch für die Teilchenrekonstruktion in der Hochenergiephysik eingesetzt worden, z. B. beim LUXE-Experiment bei DESY. Solche Techniken können außerdem auf den Verkehr ausgedehnt werden, z.B. um einen Busfahrplan in einer Stadt zu optimieren. DESY-Forscher Karl Jansen, Leiter des CQTA, und sein Team planen auch, sich gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern des Forschungszentrums Jülich mit der Optimierung eines Energienetzes zu befassen, bei der wiederum ähnliche Methoden wie beim Flughafen-Gate-Zuweisungsproblem zum Einsatz kommen.

„Wir freuen uns über die ersten Ergebnisse, die wir bei der Ausführung von quadratischen Zuweisungsproblemen auf der Quantenhardware von IonQ im Rahmen dieser guten Zusammenarbeit sehen“, sagt Jansen. „Es ist zwar noch etwas früh, um zu sagen, welchen Wert diese Algorithmen in der Praxis für Flughäfen haben werden, wenn es um die Optimierung von Flugsteigen geht, aber die hier gesammelten Erkenntnisse lassen sich leicht auf andere Forschungs- und Industriezweige übertragen, in denen das Vorhandensein mehrerer Variablen ein zu komplexes Problem darstellt, als dass klassische Systeme es bewältigen könnten.“

„Die Ergebnisse unserer Arbeit mit DESY zeigen, welchen realen Wert Quantencomputer bei der Lösung von Optimierungsproblemen mit Dutzenden von Variablen haben können“, sagt Peter Chapman, CEO und Präsident von IonQ. „Optimierungsprobleme sind in allen Branchen allgegenwärtig, einschließlich Fertigung, Logistik, Finanzen, Pharma und mehr. Die Quanteninformatik bietet Unternehmen eine enorme Chance, in diesem Problembereich innovativ zu sein und an der Spitze der Innovation zu bleiben, indem sie Probleme angehen, die früher als unlösbar galten.“ Den Report zu den Ergebnissen des Projekts wollen die Forschenden in den kommenden Monaten veröffentlichen.

 

Originalveröffentlichung und weitere Informationen
Simulating the flight gate assignment problem on a trapped ion quantum computer; Yahui Chai, Evgeny Epifanovsky, Karl Jansen, Ananth Kaushik, Stefan Kühn; https://arxiv.org/abs/2309.09686

Pressemeldung von IonQ (auf englisch)