PlanQK - Plattform und Ökosystem für Quantenapplikationen

Quantencomputing für Organisationen jeder Größe nutzbar machen

Zur Entwicklung von Anwendungen, die von Quantencomputern profitieren können, braucht man neben der Domänen-Expertise noch Wissen über die speziellen Quanten-Hardware-Plattformen und wie man alles verbindet. Diese Kombination aus Fähigkeiten ist für Unternehmen schwer aufzubauen – die Lösung: Eine Community aus unterschiedlichen Experten, die durch technisch sinnvolle Schnittstellen zusammenarbeiten können, kurz PlanQK:

• Nutzer können auf einen AppStore zugreifen und sich die auf Quantentheorie basierten Softwarelösungen für ihr Unternehmen zusammenstellen oder in Auftrag geben.
• Entwicklerinnen und Entwickler können auf einfache Weise die Plattform nutzen und so ihre Quanten-Algorithmen erweitern und verbessern.
• Spezialisten stellen Konzepte bereit, die Quanten Computing auch ohne spezielle Expertise einfach zugänglich machen

Partner

StoneOne AG (Konsortialführer), Accenture GmbH, Bundesdruckerei GmbH, d-fine GmbH, FCE Frankfurt Consulting Engineers GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein, Freie Universität Berlin, HQS Quantum, Simulations GmbH, Ludwig-Maximilians-Universität München, Planerio GmbH, regio iT gesellschaft für informationstechnologie mbh, Deutsche Telekom AG, TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Universität Stuttgart, DB Systel GmbH, Deutsche Bahn AG, smart Reporting GmbH, Komm.One AöR, Virality GmbH.

Herausforderung

Eine effiziente und zielgerichtete Nutzung von Quantencomputing in realen Anwendungsszenarien setzt detaillierte Kenntnisse und vor allem Erfahrung im Umgang und der Nutzung entsprechender Technologien und Konzepte voraus. Gerade für KMU sind die Einstiegshürden daher groß, um sich durch Quantencompting mit neuartigen Geschäftsmodellen und Produkten am Markt zu positionieren.

Zwar gibt es eine große Anzahl an Algorithmen für Quantencomputer, etwa auf Webseiten, in Lehrbüchern und wissenschaftlichen Publikationen - welcher Algorithmus jedoch in welcher Situation verwendet werden kann und wie Algorithmen auf einem herstellerspezifischen Quantencomputer ausgeführt werden können, verlangt ein umfassendes Verständnis der Theorie und Technologie. Selbst wenn passende Algorithmen gefunden werden, benötigt deren Umsetzung in ausführbare Softwareprogramme, die einen Mehrwert liefern, tiefgreifende Kenntnisse der Entwicklungsumgebung der jeweiligen Quantencomputer.

Aufgrund der Komplexität und Neuartigkeit von Quantencomputing-Software, fehlt ein einfacher Zugang zum Knowhow, Daten, Algorithmen und Experten aus diesen Feldern und insbesondere der Wissensaustausch über offene Ökosysteme und Plattformen. Deshalb ist die Bildung einer breiten Community auf Basis einer gemeinsamen Plattform für den Wissens- und Technologieaustausch für Quantencomputing eine Chance, die Wirtschaft und insbesondere viele KMU zu befähigen, den Zugang und Einsatz dieser Schlüsseltechnologie zu ermöglichen.

Umsetzung

Genau hier setzt das Konzept von PlanQK an. Ziel ist die Entwicklung einer offenen Plattform für Quantenapplikationen zur Schaffung und Förderung eines entsprechenden Ökosystems aus Quantencomputing (QC)-Spezialisten, Entwicklern konkreter Anwendungen sowie Nutzern, Kunden, Dienstleistern und Beratern. Die PlanQK-Plattform liefert damit die technische Basis für den Aufbau einer Quantencomputing-Community. Die zentralen Artefakte sind dabei entsprechende Algorithmen, Applikationen sowie Datenpools, die aus verschiedenen Quellen stammen können.

Die PlanQK-Plattform ermöglicht die Aufnahme von Algorithmen aus Quellen wie beispielsweise dem Web, veröffentlichten Artikeln oder Büchern. Neben QC-Algorithmen spielen auch Daten eine zentrale Rolle und sollen über die Plattform verbreitet und vertrieben werden können. Entsprechende Datenpools können sich beispielsweise aus öffentlich zugänglichen Quellen oder auch aus Datenbeständen von Nutzern und Kunden der PlanQK-Plattform speisen. Diee Algorithmen und Datenpools werden in einer speziellen Datenbank, dem PlanQK Algorithmus & Data Content Store abgelegt.

Eine öffentliche Community (analog zu einer Open-Source-Community) kann auf diese Datenbank zugreifen und die Algorithmen sowie die Datenpools analysieren, bereinigen, vereinheitlicht darstellen und ausführen. Die Datenpools dienen dabei auch zur Qualitätssicherung und Validierung indem sie es Kunden und der Community ermöglichen verschiedene Algorithmen zu vergleichen, beispielsweise indem die Datenpools als Trainings- und Testdaten genutzt werden. Als Ergebnis wird jeder so qualitätsgesicherte Algorithmus und eine Reihe von Datenpools in der PlanQK Community Plattform abgelegt.

Basierend auf den qualitätsgesicherten Algorithmen können nun Entwickler diese Algorithmen für die Ausführung auf einem Quantencomputer implementieren. Diese Programme, Quantum Services genannt, werden ebenfalls qualitätsgesichert und im PlanQK Quantum Service Store abgelegt.

Kunden der PlanQK-Plattform können dort nach Algorithmen und Daten suchen und entsprechende, qualitätsgesicherte Algorithmen und Datenpools kaufen, oder kostenlos bereitgestellte direkt verwenden. Ebenso können Programme, die solche Algorithmen automatisiert implementieren, d.h. Quantum Services, gesucht, gekauft oder ggf. kostenlos genutzt werden. Wenn ein Algorithmus oder ein Datenpool für eine bestimmte Problemklasse bzw. eine bestimmte Domäne nicht gefunden wird oder wenn ein bestimmter Algorithmus nicht durch die vorhanden Programme implementierbar ist, kann der Kunde entsprechende Anforderungen an die Community, Dienstleister oder auch den Plattform-Betreiber stellen.

Wenn ein Kauf getätigt wird, werden seitens der Plattform der Algorithmus bzw. das Programm und ggf. entsprechende Datenpools automatisch gebündelt und an den Quantencomputer übermittelt, sowie anschließend die Rechnungsstellung für genutzte Ressourcen übernommen.

Anwendung und Nutzen

PlanQK etabliert mit seiner Plattform die erste Anlaufstelle für Vertrieb, Bezug und Betrieb von Quantenapplikationen in Deutschland und darüber hinaus. Durch seine Konzipierung als offenes Ökosystem und durch das Anschließen marktrelevanter Quantencomputer können Quantenapplikationen von Lösungsanbietern unterschiedlichster Expertise für nahezu alle Anwendungsfelder in Wirtschaft und Verwaltung angeboten werden. Die Plattform wird sich durch Transaktionsgebühren auf die Ausführung vermittelter Applikationen tragen.

Im Projekt werden zahlreiche Use Cases bearbeitet. Im Folgenden sind sechs Beispiele für die vielfältigen Anwendungsbereiche aufgezählt:

Anomalie- und Fraud-Detection im Finanzsektor

Die Echtzeiterkennung von Betrugsfällen bei Kreditkartentransaktionen ist derzeit sehr schwierig. Durch die Anwendung sog. quanteninspirierter Methoden auf großen anonymisierten Datensätzen wird die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zum Schutz von Verbrauchern und Geldinstituten demonstriert.

Industrial Production Lines

Produktionsprozesse werden durch viele verschiedene Faktoren, wie etwa die Bereitstellung der Rohmaterialien oder Länge einzelner Fertigungsschritte, beeinflusst und ständig verändert. Bei der Ausarbeitung einer möglichst optimalen Auslastung der Maschinen können quantengestützte Ansätze des Reinforcement Learning helfen.

Quantum Organic Chemistry Pipelines

Die Herstellung von Medikamenten, wie z.B. Theophyllin zur therapeutischen Behandlung von Lungenkrankheiten basiert auf der energieeffizienten Herstellung von Vorprodukten (z.B. Methylamin) in meist katalytischen Prozessen. Die genaue Vorhersage von Moleküleigenschaften und abgeleiteten Reaktionsraten sind wichtige Grundlagen zur Verbesserung der Energieeffizienz und damit Kostensenkung in der Vorproduktherstellung.

Wasseranomalie-Erkennung in öffentlichen Gebäuden

Die frühzeitige Erkennung von Rohrbrüchen durch Leitungsgeräusche kann beim Betrieb öffentlicher Gebäude sehr nützlich sein. Als Anwendung des sog. Predictive Maintenance werden Geräuschdaten in Echtzeit erkannt und Maßnahmen schnell eingeleitet.

Quantum Rail Recovery

Öffentliche Verkehrsnetze auf der ganzen Welt sind extrem anfällig für geplante und ungeplante Unterbrechungen. Ein kleiner Zwischenfall oder öffentliche Proteste auf oder um ein Personenbahnnetz herum können zu systemweiten Verspätungen und Ausfällen führen. Die Verspätung eines einzelnen Zuges führt zu kaskadenartigen Effekten bei vielen weiteren Teilnehmern des Netzes und zu hohen Betriebsverlusten. Mathematische Programmieransätze zur Wiederherstellung des Netzes werden als Wiederherstellungsproblem für Zugführer oder Flugzeuge bezeichnet.

Network Operation

Netzwerke wie zum Beispiel Telefonnetze müssen einerseits möglichst zuverlässig sein, andererseits sollen die Kosten dafür aber auch gering gehalten werden. Mit quantengestützten Ansätzen wird eine optimale Abstimmung aller Parameter erzielt.

Ohne PlanQK	Mit PlanQK
Unternehmen und Kommunen haben zwar viele potenzielle Anwendungsfelder für quantengestützte KI-Anwendungen, können sich aber keinen Quantencomputer leisten.	Über die PlanQK-Plattform können passende Algorithmen und Rechenkapazitäten zur Ausführung bezogen werden.
Quantenalgorithmen werden heute typischerweise von Quantenphysikern entworfen, KI-Anwendungen aber von Data Scientists bzw. Entwicklern umgesetzt.	Über die Plattformen können Spezialisten aller Domänen gemeinsam Algorithmen so aufbereiten, dass sie für Quantencomputer nutzbar sind.
Viele KI-Anwendungen stoßen an die Grenzen der Berechenbarkeit mit klassischer Computerhardware.	Quantencomputer bieten ein komplett neues Rechenmodell, das es erlaubt, komplexe Probleme exponentiell schneller zu berechnen als mit klassischen Rechnern.
Entwicklern fehlt oft der Zugang zu Daten, um Einsatzmöglichkeiten für quantengestützte KI-Algorithmen zu untersuchen und diese zu entwickeln.	Die Plattform führt Unternehmen oder Kommunen mit Experten zusammen, so dass zielgerichtet Algorithmen entwickelt werden.