Quantum Applications and Research Laboratory an der LMU (QAR-Lab)

Become Quantum Ready!

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Quantum Computing bietet neue Möglichkeiten, komplexe Berechnungen schneller und damit oft überhaupt erst auf praktische Weise durchzuführen. Im QAR-Lab erschließen wir diese Möglichkeiten für konkrete Probleme aus der Praxis, von Routenplanung bis Maschinellem Lernen, die wir auf einem Quantencomputer programmieren. So bereiten wir unsere Partner und unsere Studenten auf eine Zukunft mit Quantum Technology vor.

Inhaltsverzeichnis

    1. Historie des Quantencomputings
    2. Was ist Quantencomputing?
    3. Unser Leistungsspektrum
    4. Struktur des QAR-Lab
    5. Anwendungsgebiete und Fragestellungen
    6. Aktuelle Forschungsergebnisse
    7. Quantum Software Lifecycle
    8. QAR Kompetenz-Team
    9. Aktivitäten / Vorträge / Publikationen
    10. Weiterführende Links

1. Historie des Quantencomputings

Quantencomputing geht auf zwei wissenschaftliche Revolutionen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zurück.
Die erste Revolution wurde durch die radikal neue Theorie der Quantenmechanik ausgelöst, die unsere Auffassung von Realität drastisch veränderte. Quantenmechanik ist eine der Hauptsäulen der modernen Physik. Ihre Grundlagen wurden zwischen 1925 und 1932 von renommierten Wissenschaftlern wie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Planck, Nils Bohr, Paus Dirac und anderen geschaffen. Die wissenschaftliche Würdigung dieser Arbeiten erfolgte 1933 durch die Vergabe des Nobelpreises für Physik an Schrödinger/Dirac für die „Entdeckung neuer produktiver Formen der Atomtheorie“, als Ausprägung einer Weiterentwicklung der Quantenmechanik.
Die zweite wissenschaftliche Revolution erfolgte in den 1940er Jahren durch verdiente Wissenschaftler wie Konrad Zuse, Alan Turing und John von Neumann. Sie legten die Grundlagen für den Bau der ersten programmierbaren Computer, welche die Basis aller Rechentechnik ist, wie wir sie heute vom Smartphone bis Großrechner kennen.
In den letzten beiden Jahrzehnten wurden diese beiden Wissenschaften nun zusammen geführt. Es entstand der interdisziplinäre Zweig des Quantencomputings.

2. Was ist Quantencomputing?

Das Ziel des QC ist es, Quantencomputer zu bauen, Quantenalgorithmen zu entwickeln und zu untersuchen, wie die Quantenmechanik für die Informationsübertragung und -verarbeitung genutzt werden kann.

  • Was ist Quantenmechanik?
    Die Quantenmechanik beschreibt spezielle Eigenschaften von Materie im Größenbereich von Atomen. Im Fachbereich von QC nutzt man solche Eigenschaften um Qbits in einer „Superposition“ zu halten, miteinander zu verschränken oder unwahrscheinliche Lösungsmengen durch „Tunneling“ zu erreichen.
  • Was ist Quantum Annealing?
    Beim sog. Quantum Annealing macht man sich neuste Erkenntnisse im Bereich der Quantenmechanik zu nutze, um das Energieminimum eines Systems zu bestimmen. Durch eine langsame Abkühlung des Lösungsraumes findet man so eine Antwort auf viele Optimierungsprobleme.

3. Unser Leistungsspektrum

  • Knowledge Transfer
    Unsere Mitarbeiter besitzen einen umfassenden Überblick über die Vielfalt aktueller Technologien im Bereich Quantum Computing. In kurzen oder auch etwas längeren Workshops vermitteln wir diesen auch Ihnen und Ihren Mitarbeitern. So können Sie eine informierte Strategie für die Quantenrevolution planen und an den für Sie entscheidenden Themen weiterarbeiten.
  • Use Case Analysis
    Jedes Unternehmen und jede Forschungseinrichtung hat andere Aufgaben für einen Quantencomputer. Mit unserer Expertise helfen wir Ihnen, Ihre Anforderungen zu analysieren und Use Cases für Quantum Computing zu identifizieren.
  • Quantum Prototyping
    Wir helfen Ihnen, einen erkannten Use Case umzusetzen. Wir können Ihre Aufgabenstellungen schon jetzt auf einem Quantencomputer testen und den späteren Umstieg vorbereiten. Dazu gehört natürlich auch eine Evaluation der zu erwartenden Vorteile durch kommende Quantentechnologie.


4. Struktur des QAR-Lab

Das QAR-Lab ist fokussiert auf die Software, die mit Quantum Computing entstehen kann. Die Hardware (aktuelle Quantencomputer von D-Wave) nutzen wir über die Cloud. Diese wird mit speziellen Aufgabenformulierungen gefüttert, die man QUBO nennt. Haben wir diese programmiert, nutzen wir sie zur Forschung auf dem Quantenrechner, bringen sie gleichzeitig aber auch in die Anwendungen, die heute aktuelle Probleme in der Praxis lösen. Durch diese Verbindung können wir die Möglichkeiten durch Quantum Computing für jedes Aufgabengebiet präzise analyiseren.

5. Anwendungsgebiete und Fragestellungen

Mobilität:

  • Wie kann der Verkehr durch eine Stadt ideal gesteuert werden, um Staus auszuschließen?
  • Wie beeinflussen sich alle Verkehrsteilnehmer gegenseitig?

 

Energie:

  • Wie müssen Kraftwerke und Speichersysteme genutzt werden, um die Last ideal zu verteilen?
  • Wie kann ich mögliche Überschüsse und Engpässe rechtzeitig vorhersagen?

 

Medizin:

  • Welche Zusammenhänge bestehen zwischen Patientendaten, erkannten Symptomen und gewählten Behandlungsmethoden?
  • Welche Behandlung ist deshalb die vielversprechendste?

 

Smart Farming:

  • Wie sollen Maschinen ideal über den Tag oder über die Saison hinweg genutzt werden?
  • Wie spielen Parameter wie Wetter, Nachfrage und Ertrag zusammen?

 

Smart Factory:

  • Wie können Produktbestellungen am schnellsten abgearbeitet werden?
  • Wann muss mit dem Ausfall oder der Abnutzung einer Produktionsmaschine gerechnet werden?

 

3D-Modellierung:

  • Wie erstelle ich eine 3D-Repräsentation aus zahlreichen Einzelmessungen?
  • Wie kann ich aus einer Objekterkennung einen effizienten Konstruktionsplan ableiten?

 

Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen:

  • Können maschinelles Lernen und andere Optimierungsverfahren mit Quantum Annealing kombiniert werden?
  • Wie lassen sich die Entscheidungen mehrerer intelligenter Komponenten effizient abstimmen und koordinieren?

 

Logistik:

  • Lässt sich die Gate-Zuweisung an einem Flughafen bis auf Echtzeit beschleunigen?
  • Wie kann auf alle eventuellen Ausfälle und Probleme mit Mensch und Technik kurzfristig reagiert werden?

6. Aktuelle Forschungsergebnisse

Die Verfügbarkeit von ersten Quantencomputern wie den D-Wave Systemen bietet eine vielversprechende Grundlage, theoretisches Wissen über Quantencomputing-Algorithmen und -techniken auf einer neuartigen Basis zum Einsatz zu bringen. Die Möglichkeit dadurch bisher kaum lösbare Optimierungsprobleme in Angriff nehmen zu können und damit gleichzeitig alltagsrelevante Probleme lösbar zu machen ist somit ein aufregender nächster Schritt, der durch die Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Mobile und Verteilte System mit Volkswagen Data:Lab möglich gemacht werden kann.

In den letzten Jahren hat maschinelles Lernen basierend auf neuronalen Netzen beachtliche Erfolge über einen breiten Rahmen an Anwendungsfällen erzielt. Interessanterweise werden Hopfield-Netze basierend auf einer Funktion trainiert, die genau einem QUBO-Problem entspricht, welches effektiv mittels Quantum Annealing gelöst werden kann. Auch wurde kürzlich eine Einbettung relationaler Boltzmann-Maschinen in eine solche Architektur vorgenommen. Schließlich bestehen erste Ansätze, klassisches Maschinenlernen in Form von QUBOs zu formulieren.

Quantum Annealing realisiert einen Gibbs-Sampler basierend auf Quantensuperposition und -verschränkung. Klassischerweise wird dabei das globale Optimum in der Lösungsverteilung einer Problemformulierung gesucht. Aus systemischer Sicht sind jedoch auch in der Lösungsverteilung zusätzlich enthaltene Informationen interessant, wie beispielsweise Anzahl und Verteilung lokaler Optima, die Aufschluss über die Beschaffenheit des Lösungsraums geben. Diese Informationen können zur Risikoanalyse sowie zur Qualitätsbewertung von Lösungen verwendet werden.

In absehbarer Zukunft werden reale Anwendungen vermutlich nicht ausschließlich als Quantenoptimierung ausgeführt werden. Stattdessen wird Quantum Annealing eine Komponente in größeren Systemen darstellen, die bestimmte Probleme, für die sie spezialisiert ist, in einem größeren Kontext lösen wird. Beispielsweise sind sequenzielle Anwendungen von Quantum Annealing denkbar, bei denen die Lösung eines QUBOs ein weiteres QUBO ergibt. Dieser Ansatz ist z.B. zur Lösung sequentieller Entscheidungsprobleme vorstellbar, oder für die sequentielle Quantensimulation stochastischer Systeme.

7. Quantum Software Lifecycle

Das QAR-Lab untersucht Optimierungsprozesse. Diese kommen in verschiedensten modernen Anwendungen vor. Auch Machine Learning und Künstliche Intelligenz bauen auf Optimierung auf. Sie ermöglichen das komplexe Problemlösen in Anwendungsdomänen wie Logistik, Industrie 4.0 oder Location-Based Services. Aus der Nutzung dieser Anwendungen entstehen Daten in unterschiedlichen Formaten und von unterschiedlicher Qualität. Diese effizient auf einen Quantencomputer zu übertragen stellt aktuell noch eine Herausforderung dar, die von Problem zu Problem gemeistert werden muss. Diese Daten werden von etablierten Algorithmen bearbeitet, deren Komplexität jedoch oft nicht die effiziente Bearbeitung großer Datenmengen erlaubt. Auch hier verspricht Quantum Computing schon einen Gewinn an Performance. Durch die Datenanalyse werden wichtige Einsichten über die Struktur der Daten gewonnen. Diese lassen sich auf High-Level Eigenschaften zusammenfassen und können so unser Wissen über die Problemdomäne beschreiben. Die Zusammenfassung wiederum kann oft auf natürliche Weise durch einen Quantencomputer unterstützt werden. Gleichzeitig hilft diese High-Level-Darstellung auch im Umgang mit manchen Eigenheiten von (aktuellen) Quantencomputern. Dieses tiefe Wissen über das gestellte Problem wiederum ermöglicht oft erst neu und revolutionäre Anwendungen in der realen Welt.

Im QAR-Lab beschäftigen wir uns mit allen Stufen dieses Prozesses, der die digitale Welt jetzt schon prägt. Der Quanten Computer integriert sich auf vielfältige Weise in diesen Prozess und die Möglichkeiten sind noch lange nicht ausgeschöpft.

8. Das QAR-Lab Kompetenzteam

 


Irmengard Sax
 

9. Aktivitäten / Vorträge / Publikationen

Ab sofort sind Paper-Einreichungen für den „First International Workshop on Quantum Technology and Optimization Problems“ (QTOP19) möglich. QTOP19 ist ein Workshop, der am 18. März 2019 im Zusammenhang mit der NetSys-Konferenz in Garching bei München stattfindet. Ziel des Workshops ist es, Experten aus der Wissenschaft und Industrie zusammen zu bringen, um Theorie, Technologie und Anwendung im Bereichen Quantencomputing und Optimierungsprobleme zu diskutieren. Der Tagungsband wird in der Springer-Serie „Lecture Notes of Computer Science“ (LNCS) veröffentlicht werden. Bis zum 12. November 2018 können Artikel eingereicht werden.


D-Wave am QAR-Lab! Am 9. Oktober besuchten Bo Ewald, President D-Wave International Inc., und seine Mitarbeiter Andy Mason und Sheir Yarkoni das QAR-Lab am Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme. Unsere Besucher erhielten dabei einen detaillierten Einblick in die Arbeit der Wissenschaftler vor Ort mit Optimierung und Quantum Annealing.


Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) veranstaltete am 1. und 2. Oktober bei Köln einen Workshop zum Thema Quantum Computing for Applications in Science and Industry. Dabei stellten auch Sebastian Feld und Thomas Gabor die neuesten Ergebnisse der Forschung im QAR-Lab vor.


1QBit ist ein forschungsorientiertes Softwareunternehmen im kanadischen Vancouver. Claudia Linnhoff-Popien und Sebastian Feld haben am 20. September Landon Downs, den Mitbegründer von 1QBit, zusammen mit weiteren Mitarbeitern der Forschung und Entwicklung getroffen. Das junge und erfolgreiche Team hat die aktuellen Entwicklungen des Unternehmens vorgestellt, ebenso wie die Münchner Informatiker das QAR-Lab präsentiert haben.


Am 18. September haben Claudia Linnhoff-Popien und Sebastian Feld den kanadischen Hersteller von Quantum-Annealing-Hardware „D-Wave Systems“ besucht. Dabei hat es einen interessanten Erfahrungsaustausch mit Bo Ewald, President D-Wave Systems, gegeben. Anschließend hat eine Laborführung sowie ein Austausch aktueller Forschungsergebnissen mit zahlreichen Mitarbeitern von D-Wave stattgefunden.


Thomas Gabor trug auf der Messe Command Control in München vor. Unter dem Titel „Quantum Computing from Optimization to Artificial Intelligence: Effects on Business, Software and Security“ gab er eine Einführung in die Auswirkungen der Quantenrevolution auf den Bereich der IT-Security.


Der Münchner Kreis hat am 05. Juli die Veranstaltung „Quantum Technology – Impact on Computing and Communication“ durchgeführt. QAR-Lab-Mitarbeiter Sebastian Feld und Thomas Gabor haben an der stark besuchten Konferenz teilgenommen, die im IBM Watson IoT Center in München veranstaltet wurde. Neben Herstellern von Quanten-Technologie wie Fujitsu, Atos, Intel, Google, D-Wave und IBM haben auch weitere Unternehmen und Universitäten Vorträge gehalten und Demonstrationen präsentiert.


Premiere! Am 21. Juni 2018 widmete sich die Vorlesung Rechnerarchitektur mit über 600 Studenten dem Themenbereich Quantum Computing. Die Studierenden lernten dabei eine völlig neue Art kennen, eine Rechenmaschine zu bauen und einzusetzen. Zum praktischen Ausprobieren der neu erworbenen Kenntnisse steht für Studenten zeitnah auch Rechenzeit auf einer D-WAVE-Maschine zur Verfügung.


Auf dem IT2Industry Forum im Rahmen der automatica 2018 hat Thomas Gabor am 19. Juni 2018 einen Vortrag über zukünftige Entwicklungen der Industrieautomatisierung in Verbindung mit Künstlicher Intelligenz gehalten. Auch die Nutzung von Quantum Computing u.A. beim Quantum Machine Learning spielte dabei eine Rolle.


Dr. Ralf Schneider, Group CIO der Allianz, hat am 8. Juni 2018 das QAR-Lab an der LMU München besucht. In einem halbtägigen Workshop wurden die Hintergründe von Quantencomputing und Quantenannealing besprochen, konkrete Anwendungen für die Praxis diskutiert sowie zukünftige Aktivitäten besprochen.


Am 14. Mai 2018 haben Frau Prof. Dr. Linnhoff-Popien, Dr. Sebastian Feld und Thomas Gabor, stellvertretend für das gesamte Team, die Ergebnisse des Projektes „Quantum Annealing Systems, Applications and Research (QASAR)“ bei dem Projektpartner Volkswagen Data:Lab Munich vorgestellt.


Die QUBITS Europe 2018 ist die Anwender-Konferenz von D-Wave, einem kanadischen Hersteller von Quantum Annealing Hardware. Sie hat vom 10.-12. April 2018 in München stattgefunden. Dr. Sebastian Feld und Thomas Gabor haben aktuelle Forschungsergebnisse aus der Zusammenarbeit mit Volkswagen präsentiert. Der Vortrag trägt den Namen „QASAR – Results and Hands On Demonstration of a Joint Project of VW and LMU“ und die Folien finden sich auf der Konferenzseite.


Die Vorlesung „Rechnerarchitektur“ von Frau Prof. Dr. Linnhoff-Popien, die für die Bachelorstudiengänge Informatik sowie für Studiengänge mit Nebenfach Informatik angeboten werden, beinhalten seit dem Sommersemester 2018 nun ein Kapitel namens Quantencomputing, das die Motivation zu Quantencomputing beschreibt, Grundlagen der Quantenmechanik sowie Quantum Annealing und Quantum Computing. Das Skript findet sich auf der Webseite der Vorlesung.


Die OpenMunich ist eine Konferenz für „Open Source and New IT“, die am 1. Dezember 2017 an der LMU stattgefunden hat. Dr. Sebastian Feld hat einen Vortrag mit dem Titel „Solving the Travelling Salesman Problem Using Quantum Computing“ gehalten, die entsprechenden Folien finden sich hier.


Vom 23.-24. November 2017 hat die Veranstaltung „Digitale Welt Convention“ (DIGICON) in München stattgefunden. Am zweiten Veranstaltungstag, dem Strategy Day, hat Dr. Sebastian Feld über das Thema „Innovation Trigger Quantum Computing“ referiert.

10. Weiterführende Links

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