Quantenalgorithmen

QMPC: Quantum Mission Planning Challenges

Quantum Mission Planning Challenges (QMPC) ist ein von der Quantum Computing Initiative (QCI) gefördertes DLR-Projekt zur Erforschung der Quanteninformatik mit dem Ziel, konkrete Probleme der Missionsplanung zu lösen.

Das Ziel von QMPC ist die Entwicklung von Quantenalgorithmen für spezifische realistische Missionsplanungsprobleme, die auf aktuellen und zukünftigen Quantencomputern ausgeführt werden können. Außerdem versucht es, diese Lösungen in die operative Landschaft des GSOC zu integrieren und die Quantenberechnung im Bereich der Raumschiffsteuerung zu fördern.

Wir freuen uns, dass E.ON Digital Technology seit Dezember 2023 Quantenalgorithmen für ein Vehicle-2-Grid-Problem implementiert, das unseren Mission Planning Challenges sehr ähnlich ist.

Bei der Missionsplanung geht es in der Regel um eingeschränkte Optimierungsprobleme, die sehr umfangreich sein können, z.B. bei der Erstellung von Zeitplänen für große Satellitenkonstellationen. Klassische Solver skalieren jedoch sehr oft schlecht mit der Größe der Eingaben. Da bei der Quantenberechnung derzeit große Fortschritte erzielt werden, besteht die Hoffnung, dass man große Problemfälle mit Hilfe von Quantenalgorithmen auf verrauschten Quantengeräten im mittleren Maßstab (NISQ), Quanten-Temperiergeräten oder zukünftigen großen gatebasierten Quantencomputern lösen kann.

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Description

Spacecraft Quantum On-Call Scheduling (SQOS)

Ziel ist die Erstellung von Bereitschaftsdienstplänen für Operatoren im GSOC. Dies beinhaltet eine Vielzahl von Einschränkungen, die Anforderungen modellieren, wie z.B., dass Untersysteme einen Operator in Bereitschaft haben müssen, dass Operatoren Ausfälle haben können oder verschiedene Arbeitsgesetze. SQOS verwendet sowohl klassische Optimierer als auch den Grover-Quantum-Algorithmus, um gute Lösungen zu finden.

Quantum Reinforced Groundstation Scheduling (QuaRGS)

Bei einer großen Satellitenkonstellation mit bekannten Umlaufbahnen und mehreren Bodenstationen besteht das Ziel darin, Bodenkontakte zu planen und dabei verschiedene Einschränkungen aus dem Satellitenbetrieb zu berücksichtigen. Dieses Problem umfasst kontinuierliche Komponenten und soll auf sehr große zukünftige Satellitenkonstellationen anwendbar sein.

Earth Observation Planning

Ein Zeitplan für einen Erdbeobachtungssatelliten mit bekannter Umlaufbahn und bestimmten Erfassungsanforderungen muss so geplant werden, dass so viele Datenaufnahmen wie möglich durchgeführt werden, wobei verschiedene betriebliche Einschränkungen beachtet werden müssen. Dazu kann die Planung von Downlinks gehören, so dass die maximale Speicherkapazität an Bord eingehalten wird, aber auch Einschränkungen durch gleitende Fenster aufgrund von thermischen Beschränkungen.

Quantum Space Operations Center (QSOC)

QSOC ist ein ganzheitlicher Ansatz, um Quantencomputing in das GSOC einzubringen, indem nach möglichen Anwendungen in den verschiedenen Systemen gesucht wird, die für den Betrieb von Raumfahrzeugen erforderlich sind.