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Veröffentlicht am 08-05-2019

Lösen von Problemen in der realen Welt mit dem Quantencomputer

"Moores Gesetz ist tot." Betreten Sie die Quantenberechnung. Im Labyrinth aufkommender Technologien - sei es künstliche Intelligenz (KI), Blockchain, Internet of Things (IoT), maschinelles Lernen und so weiter - gilt Quantencomputing als würdiger Erbe des Mooreschen Gesetzes, um Wege für bahnbrechende Fortschritte zu finden Berechnung über die Transistorverdopplung hinaus. Quantum Computing hebt ab… buchstäblich. Es wird zu einem technologischen Umbruch werden, einer Technologie, die die Entwicklung und den Einsatz künstlicher Intelligenzsysteme und maschineller Lernalgorithmen exponentiell beschleunigen und beschleunigen wird, um nur einige zu nennen.

Ohne zu tief in die theoretischen und mechanischen Phänomene des Quanten-Computing zu graben, besteht eine große Frage: Woran werden Quantencomputer tatsächlich besser sein als klassische Binärcomputer? Um es einfach auszudrücken: Quantencomputer können (einige) Berechnungen exponentiell schneller ausführen als heutige herkömmliche Binärcomputer. Der Grund dafür ist, dass, während herkömmliche Computer heutzutage unter Verwendung von binären Ziffern (Bits) NUR in einem von zwei Zuständen (entweder 0 oder 1) rechnen, Quantencomputer dagegen Quantenbits (Qubits) verwenden, die in den Zuständen 0 oder 1 existieren können oder jeder Überlagerungszustand zwischen 0 und 1. Diese Qubits haben eine Eigenschaft, die als Verschränkung bezeichnet wird, was bedeutet, dass alle Qubits im System auf grundlegende Weise miteinander verbunden sind. Wenn wir die Bedingungen eines Qubits in unserem Computer ändern, kann dies möglicherweise alle anderen Qubits in unserem Computer ohne zusätzlichen Aufwand beeinflussen. Dies macht Quantencomputer extrem leistungsfähig, vorausgesetzt, wir können Algorithmen schreiben, die diese Quanteneigenschaften nutzen. Wir können eine Million Berechnungen parallel durchführen, wohingegen ein klassischer binärer Computer jeweils nur eine Lösung lösen kann. Bei komplexen, rechenintensiven Problemen, die in Echtzeit gelöst werden müssen, können in vielen Fällen nur Quantencomputer eingesetzt werden. Das ist natürlich sehr technisch. Es genügt zu sagen, es ist auch unglaublich mächtig!

Bisher haben sich nur eine Handvoll Unternehmen für die Erforschung der Leistungsfähigkeit des Quantencomputers entschieden. In der Automobilindustrie steht die Volkswagen (VW) Gruppe an der Spitze der Quantencomputertechnologie. Ihre Experten entwerfen unter anderem intelligente, quantengestützte Lösungen für die Zukunft der (urbanen) Mobilität. Die Lösungen, die sie entwickeln, sind untrennbar mit einer zeitkritischen Welt verbunden, einer Welt, in der die Menschen in einer digitalisierten Stadt während der Hauptverkehrszeit in einer möglichst kurzen Zeit von „A“ nach „B“ pendeln müssen.

Aber warum ist dieses Problem vorherbestimmt, um mit Quantencomputer gelöst zu werden? Einfach ausgedrückt, ist es Zeitkritisch. Innerhalb von Sekundenbruchteilen - in Echtzeit - fordern wir (fast) optimale Lösungen für die kürzesten Pendelstrecken. Der Stadtverkehr selbst erhöht die Komplexität des Problems, d. H. Die kontinuierliche Neuverteilung der Positionsdaten für alle Fahrzeuge, die sich im dichten Stadtstraßennetz befinden.

Um die optimale Lösung für diese zeitkritische Optimierungsaufgabe zu finden, haben die VW-Experten das Problem in drei Schritte unterteilt. Erstens müssen die Nachfragepunkte vorhergesagt werden, d. H. Wie viele Personen ein Fahrzeug benötigen, um pro Zeitintervall von / zu einem anderen Ort zu pendeln. Die Bedarfs-Spot-Vorhersage kann immer noch unter Verwendung eines herkömmlichen Computers gelöst werden, auf dem ein prädiktiver Maschinenlernalgorithmus ausgeführt wird. Idealerweise geschieht die Vorhersage 15 bis 30 Minuten, bevor der Bedarf auftritt. Zweitens müssen alle verfügbaren Fahrzeuge den Nachfragespots so zugewiesen werden, dass die Wartezeit für den Beginn des Pendelverkehrs von „A“ nach „B“ für jede Person minimal ist. Drittens muss die Reisezeit für jede Person minimiert werden. Dies beinhaltet eine proaktive Verkehrsflussoptimierung, um Staus zu vermeiden. Die Echtzeitzuordnung von Fahrzeugen zu verschiedenen Routen und die Zuweisung von Geschwindigkeitsbegrenzungen sind der Schlüssel zur quantengestützten Verkehrsflussoptimierung.

Insgesamt ist die Komplexität der Pendeloptimierungsaufgabe hauptsächlich auf die dreimaligen Komponenten für die Verarbeitung, die Wartezeit und die Pendelzeit zurückzuführen. Die Quantenunterstützung hilft jedoch, mit der Zeitkritik umzugehen und Lösungen für die Mobilitätsnachfrage in Echtzeit und die Optimierung des Verkehrsflusses zu finden. Mit diesen optimalen Lösungen können „[…] Menschen und ihre Mobilität in jeder Stadt der Welt verbessert werden“, sagte Dr. Martin Hofmann, Chief Information Officer des Volkswagen Konzerns. Im März 2017 wurde das erste erfolgreiche Forschungsprojekt von Volkswagen auf einem Quantencomputer abgeschlossen, um den Verkehrsfluss für 10.000 Taxis in der chinesischen Megacity Peking zu optimieren.

Auch die nächsten Quantenlösungen von Volkswagen stehen kurz vor dem Start, wie die Minimierung des Luftwiderstands von Außenspiegeln von Kraftfahrzeugen, die Simulation neuer Materialien für Hochleistungsbatterien in Elektrofahrzeugen, das Erlernen von Verstärkungen für selbstfahrende Autos oder - vielleicht mehr - Unkonventionell - die Echtzeit-Vorhersage idealer Fluchtwege für eine Notevakuierung im großen Stil, wie im Falle eines Tsunamis.

Während die ersten drei quantengestützten Lösungen eng mit dem Kerngeschäft von Volkswagen in der Entwicklung und Herstellung von Autos verbunden sind, könnten Lösungen wie Verkehrsfluss oder Fluchtwegoptimierung noch interessanter sein Fähigkeiten für aufstrebende Technologien wie Quantencomputer? Welche Geschäftsmodelle für das Quantencomputer gibt es für Volkswagen, um Werte zu erfassen oder auszutauschen?

Kommen wir zum Beispiel der intelligenten quantengestützten Verkehrsflussoptimierung, indem wir ein imaginäres Geschäftsmodell von Volkswagen betrachten.

Zunächst einmal, wer könnten die Kundensegmente für diese Lösung sein? Zu den zahlenden Kunden zählen vermutlich Städte, Gemeinden, öffentliche Einrichtungen wie Stadien, Ausstellungen, Konferenzen, öffentliche Verkehrsmittel und künftig Betreiber mit Flotten vollautonomer Fahrzeuge. Sie werden für vorausschauende, wirklich Echtzeit-Cloud-basierte Lösungen für die Optimierung des Verkehrsflusses bezahlen, die entweder als Quantensoftware als Dienst (qSaaS) oder als Quantenplattform als Dienst (qPaaS) angeboten werden.

Mit qSaaS erhält der Benutzer sofortigen Zugriff auf standardisierte, einsatzbereite mobile und webbasierte Anwendungen für bestimmte Dienste. Die Quantensoftware und die Benutzerdaten werden online - „in der Cloud“ - bereitgestellt und auf einem Server gehostet. Die günstigste Preisoption für qSaaS ist möglicherweise ein abgestuftes Abonnement mit Zahlungsplänen, die auf der Anzahl der verfügbaren Dienste basieren. Als Beispiel können drei Zahlungspläne mit einer Platin-Stufe als vollständige Version mit erweiterten Steuerungsfunktionen und -fähigkeiten erstellt werden, die eine Hotspot-Bedarfsvorhersage sowie eine Fahrzeug-, Routen- und Geschwindigkeitsbegrenzungszuweisung umfassen. Die beiden unteren Pläne, nämlich eine Silber- und eine Basisstufe, könnten eine begrenzte Anzahl von Diensten und Funktionen enthalten. Zusätzlich können Pay-per-Update- oder -upgrade-Optionen angeboten werden. Natürlich werden Updates und Upgrades für die Platin-Stufe neben einem rund um die Uhr verfügbaren Kundensupport kostenlos sein.

Das qPaaS-Angebot wird eine Cloud-basierte Plattform mit skalierbaren, hoch verfügbaren Anwendungen oder Middleware (APIs) bereitstellen, die mit speziellen Softwarekomponenten in die Plattform integriert sind. Diese Plattform würde ein Betriebssystem, eine Programmiersprachen-Ausführungsumgebung, eine Datenbank, Webserver usw. umfassen. Entwickler können die vorcodierten Quantenalgorithmen und Quantencomputermodelle anpassen und sie auf der Plattform über die Cloud testen, verwalten und bereitstellen. Das qPaaS-Angebot kann basierend auf dem Datenverbrauch entweder als abgestuftes Abonnement mit vordefinierten Stufen für Recheninstanzen, Datenspeicherung und ausgehenden Netzwerkverkehr oder einfach als Pay-per-Use-Option berechnet werden.

Natürlich ist das gesamte Geschäftsmodell für die quantengestützte Verkehrsflussoptimierung nur ein imaginäres und daher voll von Annahmen wie den Einnahmequellen für qSaaS und qPaaS, die an dieser Stelle (von vielen nur Optionen) sind. Alle Annahmen zu den Wertversprechen und den Preisen müssen bestätigt werden. Dies kann nur durch einen iterativen Prozess in enger Zusammenarbeit mit den potenziellen Kunden erreicht werden, um Annahmen und Hypothesen zu testen, um die Zahlungsbereitschaft der Kunden für quantenverstärkte, Cloud-basierte Serviceangebote zu ermitteln. Für das abgestufte Abonnementmodell von qSaaS müssen beispielsweise die Anzahl der Ebenen sowie der Inhalt und der Preis pro Tier festgelegt werden. Die Tests und Preisfeststellungen der Benutzer müssen auch das Ausmaß berücksichtigen, in dem die Endbenutzer, nämlich Fahrer und Fahrer, bereit sind, für quantengestützte Verkehrslösungen zu zahlen, da im gegenwärtigen Geschäftsmodell alle Dienste den Endbenutzern kostenlos zur Verfügung gestellt werden. Bei der Erfassung von Echtzeit-Verkehrsdaten mit hoher Genauigkeit könnten weitere Fragen aufkommen: Wird eine Zusammenarbeit mit einem 5G-Netzanbieter das Problem lösen? Und wer ist der Partner, der Zugang zu Quantencomputern bietet, auf denen die Berechnungen ausgeführt werden?

Aus technologischer Sicht sind noch eine Vielzahl von Herausforderungen zu bewältigen, z. Erstellen der Programmiersprachen für Quantencomputer oder, eher auf Hardwareseite, die Kühlung von Quantenchips. Im Rückblick auf die 50er Jahre, die Anfänge heutiger herkömmlicher Computer, war jedoch auch eine große Herausforderung zu meistern, und im Laufe der Zeit konnten Computerentwickler und Experten diese Probleme meistern. Wir sollten es daher nicht wagen, zu weit in die Zukunft zu blicken und uns alle Möglichkeiten vorzustellen, die das Quantencomputing uns eröffnen wird. Und wer weiß besser als einer der führenden Experten auf diesem Gebiet, Asst. Prof. Dr. Florian Neukart, leitender Wissenschaftler der Volkswagen Group of America (VWGoA).

Florian, deine Arbeit mit Volkswagen im Bereich des Quanten-Computing gewinnt immer mehr an Bedeutung. Können Sie uns sagen, warum ein traditioneller Automobilhersteller den Sprung in den Bereich Quantum Computing macht und seine großen Möglichkeiten auslotet? [Florian]: „Unsere Bemühungen beim Quantum Computing zeigen, dass Volkswagen viel größer ist als nur ein Autohersteller Autos nur auf der Straße. Wir haben eine Vielzahl von Herausforderungen zu meistern, und unsere Dienstleistungen erstrecken sich über das gesamte technologische Spektrum. Ein Auto physisch zu bauen ist ein technisches Problem. Die Planung von Lieferungen von Autos von Fabriken an Händler ist ein logistisches Problem. Die Entwicklung besserer Batterien für Elektroautos ist ein chemisches Problem. Lager für die Lagerung von Teilen zu organisieren, ist ein Optimierungsproblem. Die Liste geht endlos weiter, und die IT- und F & E-Infrastruktur von Volkswagen muss all diese verschiedenen Bereiche unterstützen. Genau hier passt Quantum Computing in Volkswagen und hilft, all diese komplexen Probleme mit modernster Technologie zu lösen. Wir sind nicht nur an theoretischen Fragen zu Algorithmen und Komplexität interessiert. Wir müssen wissen, wie diese Computer auf einer grundlegenden Ebene funktionieren, und wir schauen auch in die Zukunft, um zu sehen, welche spezifischen Bereiche unseres Geschäfts sie beeinflussen können. Wenn Forscher über einen neuen Quantenalgorithmus sprechen, schauen wir uns unser Geschäft an und fragen uns: Wo kann uns das helfen? Können wir das nutzen, um unsere Fabriken besser zu organisieren? Können wir jetzt neue Materialien simulieren, die wir vorher nicht konnten? Das sind Fragen, die uns antreiben. Und wir sind überzeugt, dass wir das können. “

Das ist großartig. Können Sie uns etwas über die Vision von Volkswagen in Bezug auf die Fähigkeiten, die Sie für das Quantencomputing aufbauen, erzählen? [Florian]: „Bei Volkswagen haben wir tief in das Quantencomputer investiert, um uns für die Zukunft an vorderster Front von die Branche. Wir müssen heute auf die Technologie von morgen vorbereitet sein. Im Laufe der Zeit hat sich gezeigt, dass die Quantentechnologie ein enormes Potenzial besitzt. Die Wahrheit über Quantencomputer ist jedoch, dass es zu früh ist, um genau zu wissen, was die erste "Killeranwendung" sein wird. Egal aus welchem ​​Bereich diese "Killer-Anwendung" des Quanten-Computing kommt, wir müssen bei Volkswagen einen Weg finden, um sie zu nutzen, damit alle davon profitieren können. Wir können unsere Optimierungslösungen für intelligente Mobilitätsplattformen einsetzen, die den Verkehrsstau in großen Städten reduzieren. Machine-Learning-Algorithmen von Quantum können autonome Autos revolutionieren und sie zu geringeren Kosten sicherer und zuverlässiger machen. Mit neuen Materialsimulationen können wir bessere Komponenten für unsere Produkte erforschen, unsere Abfallproduktion reduzieren, Umweltauswirkungen erzeugen und Nachhaltigkeit fördern. Nach jahrzehntelanger Forschung erreichen wir endlich den Punkt, an dem Quantencomputer die Forschungslabore verlassen und für industrielle Early Adopter zugänglich sind. Für uns bei Volkswagen reicht es nicht aus, nur Anwender dieser Technologie zu sein. Wir müssen Experten werden, um uns und anderen zu helfen, das Wachstum der Quantum Computing-Community zu beschleunigen. Bei Volkswagen bewegen wir uns auf dem Weg zu einer Denkführerschaft im Quantencomputing. Wir gehen langfristige Partnerschaften mit Branchenführern wie Google und D-Wave Systems ein. Gemeinsam arbeiten wir an der Entwicklung der Werkzeuge und Strategien, die zur Integration von Quantencomputing in unsere vorhandene Infrastruktur erforderlich sind.

Intern lernen und entwickeln wir ständig. Wir arbeiten eng mit Experten in verwandten Bereichen zusammen, um deren Bedürfnisse vollständig zu verstehen. Wir verbinden das Quanten-Computing mit verschiedenen Niederlassungen innerhalb von Volkswagen, wodurch unser Unternehmen wachsen kann, und wir beurteilen, wo die Technologie am effektivsten sein kann. Wir wissen, dass diese Quantenvorrichtungen, obwohl sie heute klein sind, außergewöhnliche Dinge grundsätzlich anders machen können. Wir werden ihren Einsatz in industriellen Anwendungen wie bei der Mobilitätsoptimierung und der Materialforschung weiter demonstrieren, während wir uns bereits auf die Quantencomputer der Zukunft vorbereiten. Was auch immer der Weg zur Quantum Computing-Revolution sein mag, Volkswagen ist bestrebt, den Weg zu gehen. “

Wo also steht die Quantencomputertechnologie momentan und wohin geht die Technologie? [Florian]: „Der Zustand des Quantencomputers ist heute dem der Computer in den fünfziger Jahren ähnlich. Es gibt keine Standardbetriebssysteme, keine Programmiersprachen oder Compiler. Die Arbeiten, die die Quantencomputer-Forscher jetzt sowohl auf der Hardware- als auch auf der Softwareseite leisten, bereiten die Grundlagen für zukünftige Benutzer dieser Geräte. Die Branche des Quantencomputers ist derzeit reif für Entwickler, Menschen, die die Technologie auf niedrigem Niveau verstehen wollen und den Stack aufbauen, auf dem sich zukünftige Anwendungen befinden. Die Hauptherausforderung für die nächsten Jahre besteht darin, Techniken zu entwickeln, die die von diesen Geräten bereitgestellten Quantenressourcen intelligent nutzen. Bei Volkswagen tragen wir dazu in vielerlei Hinsicht bei. Mit unseren Mitarbeitern bei Google haben wir an der Lösung komplexer Optimierungsprobleme mit einem deutlich anderen Ansatz gearbeitet. Wir erforschen Methoden, um Quantenschaltkreise so zu kompilieren, dass die innere Struktur dieser Optimierungsprobleme zum Komprimieren der Schaltkreise genutzt wird. Auf diese Weise können wir Quantencomputer bei der Lösung dieser Probleme noch effizienter einsetzen, ähnlich wie Compiler heute auf normalen Computern arbeiten. Diese Quantenschaltkreise können dann trainiert werden, um Probleme wie Verkehrsfluss, Quantenmaschinenlernen und hochdimensionale Optimierung von Autoteilen zu lösen. Während viele dieser Projekte im Verhältnis zur Unternehmensgröße klein sind, können wir mit ihrem Wissen und ihrer Erfahrung Volkswagen auf die Ankunft größerer Quantencomputer in der Zukunft vorbereiten. “

Wenn Sie mehr über die Quantencomputertechnologie, ihre Anwendungsfälle und die dazugehörigen Quantengeschäftsmodelle mit tollen Erkenntnissen vom Experten und von Volkswagen erfahren möchten, schauen Sie sich das Video-Interview an, das Florian und ich bald veröffentlichen werden ... Bleiben Sie dran!

Und wenn Sie bereit sind, mit Ihren eigenen Geschäftsmodellen den Quantensprung voranzutreiben, sind wir von BMI für Sie da!

Siehe auch

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