Quantencomputing

Es funktioniert in der Produktion

4. Mai 2022, 9:58 Uhr | Heinz Arnold

NTT DATA und TH Rosenheim konnten erstmals nachweisen, dass Quantencomputer KI-Prozesse in einem »Real-World-Szenario« beschleunigen können.

So ist es gelungen, Steuerungsalgorithmen während der Laufzeit der herkömmlichen digitalen Roboterarmsteuerung auszuführen und damit die Lernkurve erheblich zu steigern. Die Details erläutern NTT DATA und das proto_lab der TH Rosenheim in zwei Machbarkeitsstudien für die Anwendung von Quantentechnologie in der Fertigungsindustrie, die sie jetzt erfolgreich abgeschlossen haben. Die Studien liefern grundlegende Erkenntnisse zur Planung der Auftragsbearbeitung in hoch komplexen Produktionsinfrastrukturen und zum effizienten Training von Robotern für inhomogene Arbeitsabläufe. In beiden Fällen dient die Quantentechnologie dazu, die erforderlichen KI-Prozesse zu beschleunigen.

Quantum Reinforcement Learning für Roboterarmoperationen

Statisch fixierte Roboterarme übernehmen in der Industrie bereits heute vielfältige Tätigkeiten. Mobil eingesetzt könnten sie zahlreiche zusätzliche Aufgaben wie die Automatisierung von Gütertransport in Produktionsumgebungen (Intralogistik) übernehmen. Allerdings führt die Bewegung im Raum dazu, dass die Berechnung, der für eine bestimmte Aktion erforderlichen Kräfte, erschwert wird.

Vereinfacht wird dieses Problem in der Wissenschaft als »Cart-Pole«-Modell dargestellt. Dabei kommt es darauf an, einen fahrbaren Untersatz (Cart) so zu steuern, dass eine darauf stehende Stange (Pole) in der Senkrechten bleibt und trotz Hindernissen und Erschütterungen im Umfeld des Carts.

Als vereinfachtes Beispiel für viele mögliche Anwendungen von Roboterarmen in der Industrie nutzten die Forschungsteams von NTT DATA und TH Rosenheim das Experiment, um das Potenzial der Quantentechnologie für ein effizienteres Training von Robotern zu belegen. Erfolgsentscheidend war dabei die Kombination von Reinforcement-Learning und Quantencomputing.
Für ihre praktischen Experimente verwendeten die Forschenden den Service Amazon Braket von AWS. Diese Cloud-Plattform bietet verschiedene Geräte zum Ausführen von hybriden Quantenalgorithmen.

Damit gelang es erstmals in einem »Real-World-Szenario« nachzuweisen, dass die Quantentechnologie in der Lage ist, die komplexen Steuerungsalgorithmen während der Laufzeit der herkömmlichen digitalen Roboterarmsteuerung auszuführen und damit die Lernkurve erheblich zu steigern.

Chaotische Amplitudenkontrolle für Job-Shop-Probleme

In einer weiteren gemeinsamen Machbarkeitsstudie von NTT DATA und TH Rosenheim konnten die Forschenden Taillards Job-Shop-Problem, einen gängigen Benchmark für die Leistungsfähigkeit von Algorithmen in der Fertigungslogistik, erstmals mithilfe der Coherent Ising Machine lösen. Dabei handelt es sich um ein von NTT DATA entwickeltes photonisches adiabatisches Quantenoptimierungssystem. Zur Simulation dieser innovativen Technologie auf klassischer Hardware entwickelten die Forschungsteams mehrere Algorithmen, darunter die chaotische Amplitudenkontrolle.

Mit der neuen Technologie verfügen Anwender über die Möglichkeit, schneller Lösungen für Steuerungsprobleme in zunehmend komplexeren Fertigungsumgebungen zu finden.

»Der Einsatz künstlicher Intelligenz zur Steuerung industrieller Prozesse wird zunehmend zu einem kritischen Wettbewerbsfaktor für produzierende Unternehmen in Deutschland, in Europa und weltweit«, sagt Prof. Dr.-Ing. Noah Klarmann, Professor für künstliche Intelligenz an der Technischen Hochschule Rosenheim. »Moderne Anwendungen erfordern enorme Rechenleistung bei gleichzeitig möglichst geringen Latenzzeiten. In diesem Zusammenhang zeigte die spannende Zusammenarbeit mit NTT DATA das enorme Potenzial von Quantencomputing im Vergleich zu traditionellen Lösungen.«

»Wir freuen uns, in enger Zusammenarbeit mit Partnern wie der TH Rosenheim wissenschaftliche Erkenntnisse in konkrete Anwendungen der Quantentechnologie umzusetzen. Gemeinsam laden wir Unternehmen und Institutionen aus Wirtschaft, Wissenschaft und Technik ein, neue Anwendungsszenarien zu finden, um die Geschäftsmodelle von morgen mit Quantentechnologie effektiv und nachhaltig zu unterstützen«, erklärt Oliver Köth, Chief Technology Officer, NTT DATA DACH.
Prof. Dr.-Ing. Noah Klarmann, Professor für künstliche Intelligenz an der Technischen Hochschule Rosenheim: »Die spannende Zusammenarbeit mit NTT DATA zeigt das enorme Potenzial von Quantencomputing im Vergleich zu traditionellen Lösungen.«