KI-Innovationswettbewerb Trumpf setzt bei Produktionsplanung auf Quanten-KI von PlanQK

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Wie können Quantencomputer industrietauglich gemacht werden? Dieser Frage ist das international tätige Maschinenbauunternehmen Trumpf nachgegangen. Im Forschungsprojekt PlanQK, Plattform und Ökosystem für Quantenapplikationen, wurden im Rahmen des KI-Innovationswettbewerbs quanten-KI-basierte Anwendungen für die Blechbearbeitung entwickelt.

Schneller, besser, effizienter – das versprechen sich Wissenschaft und Wirtschaft von Quantencomputern. Noch ist unklar, ob die hohen Erwartungen an die Zukunftstechnologie vollständig erfüllt werden können. Fest steht, dass Quantencomputing-Verfahren potenziell die Erschließung und Erweiterung großer Anwendungsbereiche von Künstlicher Intelligenz (KI) maßgeblich vorantreiben können.

Anwendungsbeispiele sind die Entwicklung lebensrettender Arzneimittel oder automatisierte Echtzeitsteuerungen im Straßenverkehr. Die Erforschung potenzieller Anwendungen, die auf Quantencomputern genutzt werden können, befindet sich Deutschland in einer hervorragenden Ausgangsposition. Das Projekt PlanQK, das im Rahmen des KI-Innovationswettbewerbs des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wird und die Entwicklung und Nutzbarmachung von Quanten-KI (QKI)-Algorithmen erforscht, leistet einen wertvollen Beitrag, um dem Mittelstand in Deutschland den einfachen Zugang zu dieser Schlüsseltechnologie zu ermöglichen.

Die webbasierte PlanQK-Plattform bietet einer Community aus Quantencomputing und KI-Fachleuten u. a. die Möglichkeit, QKI-Algorithmen aus verschiedenen Quellen zusammenzuführen und in unterschiedlichen Anwendungsfällen zu testen. Entwicklerinnen und Entwickler bereiten Algorithmen für verschiedene Quantencomputer auf und integrieren sie in Quantenapplikationen, die über die Plattform zur Verfügung gestellt werden können. Unternehmen oder öffentliche Organisationen können auf der Plattform nach passenden Algorithmen, Datenpools und Lösungspartnern suchen.

Ein interessanter Aspekt der Plattform ist die Möglichkeit, Rechenleistung für anwendungsgeeignete Quantencomputer zu mieten. Das ermöglicht vor allem auch kleinen und mittelständischen Unternehmen den Zugang zu dieser Technologie und bietet ihnen die Möglichkeit, deren Potenzial zu eruieren. PlanQK etabliert sich damit als Anlaufstelle für Dienstleistungen rund um Quantencomputing in Deutschland.

Optimale Materialnutzung dank Quantencomputing

Das Unternehmen Trumpf ist in einem der zahlreichen Anwendungsfälle von PlanQK involviert. Das Familienunternehmen aus Ditzingen bei Stuttgart wurde 1923 als mechanische Werkstätte gegründet und hat sich zu einem der weltweit führenden Unternehmen für Werkzeugmaschinen, Laser sowie Elektronik für industrielle Anwendungen entwickelt. Heute zählt Trumpf über 16.000 Mitarbeiter und mehr als 70 Standorte weltweit.

Wie genau kann nun Quantencomputing in der Industrie eingesetzt werden? Im Bereich der Blechbearbeitung ist die Produktionsplanung eine komplexe Aufgabe, bei der aus einer Blechplatte möglichst viele Teile herausgeschnitten werden sollen, während gleichzeitig Rohstoffverbrauch und Ausschuss minimiert werden. Quantencomputer und KI bieten dafür eine effiziente und schnelle Lösung.

Frederick Struckmeier, der bei Trumpf die Anwendungen des Quantencomputing verantwortet, hat es einmal so formuliert: Eine Faktor-1.000-Beschleunigung, die noch nicht unrealistisch ist, würde den Unterschied zwischen vier Wochen und 40 Minuten Rechenzeit ausmachen. Das würde einen enormen Wettbewerbsvorteil für Unternehmen bedeuten, die dadurch in der Lage sind, ihre Produktionsprozesse erheblich schneller und effizienter zu gestalten.

Im konkreten Anwendungsfall geht es darum, Daten aus Nesting und Scheduling – also der geometrischen Verschachtelung der einzelnen Schnittteile auf dem Blech sowie der Produktionsplanung hinsichtlich der Maschinenbelegung – so aufzubereiten, dass ein Quantencomputer damit effizient arbeiten kann. Ziel ist es die optimale Lösung für den Blechverarbeitungsprozess in Echtzeit zu ermitteln, sodass in kürzester Zeit Materialien optimal genutzt werden können und möglichst wenig Schnittverschleiß aufkommt.

Nicht nur die Produktionsplanung kann so deutlich beschleunigt werden, auch die individuelle Gestaltung von Teilen ist potenziell aufgrund der zu erwartenden hohen Rechenleistung effizienter in die Produktionsprozesse integrierbar. Und genau das ist in vielen Industrieunternehmen immer öfter notwendig: In der Blechindustrie wird immer näher an Losgröße 1 produziert. Eine schnelle Planung der Zuschnitte, bei der möglichst wenig Materialüberschuss anfällt, wird damit zur immer größeren Herausforderung für Unternehmen.

Proaktive Forschung ebnet Quantencomputing den Weg

Das Team von Trumpf hat für diese Aufgabe verschiedene KI-basierte Software-Anwendungen entwickelt, die für unterschiedliche Hardware-Ansätze zwischen klassischem Rechner und Quantencomputer geeignet sind. Gemeinsam mit dem Fraunhofer FOKUS, ebenfalls PlanQK-Projektpartner, wurde zudem eine klassische Referenzlösung entwickelt. Durch Projekte wie dieses können Unternehmen im Mittelstand lernen, wie sie die Software-Anwendungen strukturieren und gestalten müssen, um einen wirtschaftlichen Mehrwert für sich und ihre Kunden zu schaffen. Zwar ist davon auszugehen, dass es noch einige Jahre dauert, bis die benötigte Rechenleistung auf dem Markt flächendeckend verfügbar ist, doch die proaktive Forschung und Entwicklung versetzt die deutsche Industrie in die Lage, die Zukunftstechnologie zu nutzen, sobald sie zur allgemeinen Verfügung steht. Die von Trumpf und Fraunhofer FOKUS in PlanQK erarbeitete Lösung ist auf viele weitere produzierende Gewerbe übertragbar, zum Beispiel die Möbelproduktion.

Bevor Unternehmen in Quantencomputing investieren, sollten sie zunächst ihre Prozesse weiter digitalisieren. Die Digitalisierung der Produktionsprozesse durch KI-, IoT- und Cloud-Technologie ist ein entscheidender Schritt, um die Potenziale von Quantencomputing freizusetzen. PlanQK arbeitet derweil an zahlreichen weiteren Anwendungsfällen, die den Einsatz von Quantencomputern auf verschiedenen Gebieten der Wirtschaft erforschen, darunter die automatisierte Betrugserkennung im Finanzsektor, der Ausgleich von Stromschwankungen bei der Nutzung erneuerbarer Energien oder die Berechnung von Dienstplänen im medizinischen Bereich. So zeigt PlanQK schon jetzt, was durch Quantencomputing, Big Data und Künstliche Intelligenz alles möglich gemacht werden kann – und legt gleichzeitig den Grundstein dafür, dass die Innovationen so schnell wie möglich auch vom Mittelstand genutzt werden können.

Wohin die (KI-)Reise geht, zeigen die 26 KI-Projekte, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im KI-Innovationswettbewerb gefördert werden, bei ihrem jährlichen Event am 21.Juni 2023 in Berlin. Alle Informationen zur kostenfreien Teilnahme am KI-Sommercampus 2023 gibt es hier.

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