Wie arbeitet man mit Quantenrechnern?

ELEVATE

Abbildung: Optimierungslandschaft eines Quantum Machine Learning Algorithmus, Quelle: DLR
Ein (Quanten-) Machine Learning Algorithmus lernt, indem er zu einem gegebenen Datensatz das beste Modell sucht. Dieser Lernablauf lässt sich in einer Optimierungslandschaft darstellen: Je besser der Wert, desto näher ist das maschinelle Lernen seinem Ziel. Dargestellt ist eine Optimierungslandschaft für ein Quantentensornetzwerk, das im Rahmen des ELEVATE-Projekts Flügelflattern detektiert.
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Wie arbeitet man mit Quantenrechnern?

Quantencomputer rechnen auf Basis von Quanteneffekten und unterscheiden sich damit fundamental von herkömmlichen Rechnern. Die Entwicklung moderner Quantencomputer erreicht gerade eine Phase, in der erste Anwendungen praktisch umgesetzt werden und erste Vorteile gegenüber klassischen Programmen bieten. Zur Unterstützung der Quantencomputinginitiative (QCI) des DLR bietet das Projekt ELEVATE (Enhanced probLEm solVing with quAntum compuTErs) ein Netzwerk, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus allen DLR-Instituten bei der Machbarkeitsanalyse von Quantencomputer-Projekten zu unterstützen. Das Ziel des Projektes ist es, DLR-weit Institute in der Arbeit mit Quantencomputern zu befähigen und eine starke Position des DLR im Umfeld der Quantenrechenmethoden aufzubauen.

Unterstützung von DLR-Instituten in der Anwendung von Quantencomputern

Neben dem Institut für KI-Sicherheit sind Quantencomputerexperten aus den Instituten für Softwaretechnologie, Quantentechnologien, Raumflug und Astronautentraining, Technische Thermodynamik und Methodik der Fernerkundung an ELEVATE beteiligt. Wir bieten seit Januar 2022 Weiterbildungsveranstaltungen, Vernetzungstreffen und im Rahmen einer Kurzstudie die Einschätzung der Machbarkeit eines Themas für den Einsatz von Quantencomputern. Die Quantencomputerexperten bieten methodische Unterstützung in vier Bereichen an:

  • Anwendungen in Quanten-Machine-Learning
  • kombinatorischer Optimierung
  • Quantensimulation
  • Kompilierung und Hardware

Vermittelt wird diese Expertise in Vorlesungen, Workshops und Hackathons, so dass theoretisch erworbenes Wissen auch sofort umgesetzt werden kann.

Beitrag Institut KI-Sicherheit

Das Institut für KI-Sicherheit trägt mit seiner Expertise zu Themen aus dem Bereich Quanten-KI und Datencodierung bei. Wir haben Pilotstudien zu den folgenden Themenbereichen durchgeführt:

  • Hydrodynamische Simulation auf Quantencomputern
  • Quanten-KI zur Detektion von Flügelflattern
  • Navigation selbstfahrender Fahrzeuge mit Quanten-Reinforcement Learning
  • Übertragung und Auswertung von Luftbildern auf Quantencomputern
  • Erkennung von Anomalien in Satellitendaten
  • Einsatz von Tensornetzwerken als Quanten-KI-Architekturen

Dabei fokussiert sich unser Beitrag insbesondere auf die Entwicklung übertragbarer Designprinzipien zwischen den einzelnen Aufgabenstellungen, die Umsetzung effizienter Codierung von Daten und Problemstellungen auf Quantencomputern sowie die Einbettung von Quantenmodellen in ganze KI-Umgebungen.

Die in den Explorationsprojekten gewonnenen Erkenntnisse werden in Workshopformaten wieder in die Community zurückgespiegelt, um weitere Ideen zu generieren und Kooperationen für Nachfolgeprojekte zu finden.


Beteiligte DLR Institute und Einrichtungen

Institut für KI-Sicherheit

Im Institut für KI-Sicherheit erforschen und entwickeln wir KI-bezogene Methoden, Prozesse, Algorithmen, Technologien und Ausführungs- bzw. Systemumgebungen. Unser Fokus liegt auf sicherer und norm- bzw. standardkonformer KI, Cybersicherheit in offenen Daten- und Dienste-Ökosystemen und KI, sowie der Automatisierung in Mobilität und Logistik.

Institut für Technische Thermodynamik

Das Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart, Köln-Porz, Hamburg, Ulm und Oldenburg, forscht auf dem Gebiet effizienter und ressourcenschonender Energiespeicher und Energiewandlungstechnologien der nächsten Generation. #Batterien #Brennstoffzellen #Elektrolyseure #Wärmespeicher

Institut für Quantentechnologien

Ziel des Instituts für Quantentechnologien in Ulm ist es, Präzisionsinstrumente für Raumfahrtanwendungen auf Basis von Quantentechnologien zu entwickeln und in Zusammenarbeit mit der Industrie zur Prototypenreife zu bringen.

Institut für Methodik der Fernerkundung

Das Institut für Methodik der Fernerkundung bildet mit dem Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) das Earth Observation Center EOC – das Kompetenzzentrum für Erdbeobachtung in Deutschland.

Raumflugbetrieb und Astronautentraining

Der Raumflugbetrieb ist die zentrale Einrichtung für die Durchführung von Raumflugmissionen in Deutschland und umfasst Satellitenmissionen für die Erdbeobachtung, Kommunikation, Aufklärung und bemannte Missionen.

Institut für Softwaretechnologie

Das Institut für Softwaretechnologie erforscht neue Software-Technologien und nutzt sie zur Entwicklung anspruchsvoller Softwarelösungen für Anwendungen im DLR.

Kontakt

Dr. Hans-Martin Rieser

Abteilungsleitung
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für KI-Sicherheit
Ausführungsumgebungen & Innovative Rechenmethoden
Wilhelm-Runge-Straße 10, 89081 Ulm

Karoline Bischof

Referentin Öffentlichkeitsarbeit
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für KI-Sicherheit
Geschäftsfeldentwicklung & Strategie
Rathausallee 12, 53757 Sankt Augustin