Quantenalgorithmen für Telekommunikationsprovider Quanten Computing für Netzbetreiber - Die Telekom beteiligt sich an PlanQK

Die Deutsche Telekom beteiligt sich unter Federführung ihrer Forschungs- und Entwicklungsabteilung, den Telekom Innovation Laboratories (T-Labs), am Projekt „PlanQK“. In diesem Rahmen erforscht und erprobt die Deutsche Telekom insbesondere potenzielle Anwendungsfälle aus Sicht eines Netzbetreibers.

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PlanQK soll eine Plattform und ein Ökosystem für Quanten-unterstützte Künstliche Intelligenz sein und wird seit Januar 2020 bis Dezember 2022 mit 11 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft gefördert. Nutzer sollen dabei auf einen 'Quanten-AppStore' zugreifen, Entwickler auf einfache Weise Quantumplattformen nutzen und Spezialisten Konzepte bereitstellen können, die Quantum Computing einfach zugänglich machen.

Insgesamt sind 15 Partner an dem Projekt beteiligt: Stoneone AG, DB Systel GmbH, Accenture, Bundesdruckerei GmbH (BDr), D-fine GmbH, Frankfurt Consulting Engineers GmbH (FCE), HQS Quantum Simulations GmbH, Planerio GmbH sowie die Regio iT Gesellschaft für Informationstechnologie GmbH (regio iT) und Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG. Dazu kommen die Stuttgarter Universität mit dem Institut für Architektur von Anwendungssystemen und dem Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien – Quantum Information & Technology, das Freie Universität Berlin (FUB) Dahlem Center for Complex Quantum Systems, die Ludwig-Maximilians-Universität München und das Fraunhofer Fokus Data Analytics Center. Außerdem wird das Projekt von 33 namhaften kleinen, mittleren und großen Unternehmen sowie wissenschaftlichen Einrichtungen und Verbänden als assoziierte Partner begleitet. Dazu zählen Cambridge Quantum Computing und die Fujitsu Technology Solutions GmbH sowie Honeywell Quantum Solutions, aber auch die Daimler AG, die Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. und Lufthansa Industry Solutions.

PlanQK ist keine Entwicklungsumgebung

Es gibt eine ganze Reihe von Entwicklungsumgebungen für Quanten-Computing-Software, darunter „Qiskit“, Open Source von IBM. Rigetti stellt „Forest“ zur Verfügung, D-Wave etwa „Ocean“, Microsoft stellt das „Quantum Development Kit“ (QDK) zur Verfügung, Zapata hat „Orquestra“ im Angebot. Zu den quelloffenen SDKs zählt etwa „ProjectQ“. Seit August 2020 bietet auch Amazon ein Quanten-SDK namens „Braket“ an, welches Hardware der Hersteller Rigetti, D-Wave und IonQ unterstützt.

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PlanQKsoll absolut SDK-neutral sein. Die Quantensoftware, die in PlanQK zur Verfügung gestellt wird, kann mit beliebigen solcher Quanten SDKs erstellt werden. Diese Neutralität wird dadurch erzielt, dass in PlanQK das Konzept der Muster, also bewährte Lösungen wiederkehrender Probleme in der Domäne Quantencomputing, betont wird.

Per Definitionem seien diese Lösungen, die in solchen Mustern zu Verfügung gestellt werden, implementierungs- und herstellerneutral, heißt es auf der PlanQK-Website. Ein Muster verweist dann auf eventuell unterschiedliche Implementierungen, die mit Hilfe 'irgendeines' Quanten SDKs erstellt wurde.

Insofern will das PlanQK-Projekt dem Risiko einer marktbeherrschenden Vormachtstellung und der Entstehung eines unfreien De-Facto-Standards vorbeugen. Nutzer könnten beispielsweise über die Cloud oder einen Quanten-App-Store Lösungen für ihr Unternehmen zusammenstellen oder diese beauftragen, so die Vorstellung.

Quantencomputer versprechen einen exponentiellen Zuwachs der Bearbeitungsgeschwindigkeit bei ausgewählten Problemklassen. Beispielsweise bei kombinatorischen Optimierungsproblemen oder dem Training von KI-Modellen. In der Kommunikationswissenschaft gilt der Shor’sche Algorithmus zumeist als die „Killer-Applikation“ des Quanten Computing; denn Quantenrechner sind damit in der Lage, die heutigen Sicherheitsinfrastrukturen anzugreifen.

Die Anwendungen

Tatsächlich gibt es bereits einige Anwendungen, Anwendungsfelder, die auf der PlanQK-Seite gelistet sind.

• Dazu gehört die „Modellierung von Energienetzen – Versorgungsqualität durch Speicheranordnung“: Der Hintergrund: Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien am Produktionsmix erhöht die Volatilität in den Netzen, was die Versorgungsqualität und die Endbenutzergeräte gefährdet, Ausfälle erhöht und die Kosten der Versorgungsunternehmen in die Höhe treibt. Das Quanten Computing soll dabei helfen, Entscheidungen über die beste Platzierung von Speichereinheiten im Netz zu treffen.

• Scheduling und Dienstplanoptimierung: Bisher ist es rechnerisch schwierig, persönlichen Präferenzen von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gerecht zu werden und gleichzeitig die Zeit-, Qualifikations- und arbeitsrechtlichen Anforderungen des Arbeitgebers zu erfüllen. Es wird also nach Algorithmen gesucht,mit denen sich faire und robuste Schichtpläne erstellen lassen.

• Erkennung von Anomalien und Betrug in Finanztransaktionen

• Sicherheitsbausteine für digitale Ökosysteme

• Wasseranomalie-Erkennung in öffentlichen Gebäuden; Vandalismus und Defekte an Wasserleitungen verursachen immense Kosten durch Wasserschäden und bislang werden Langsam ansteigende Schäden oft sehr spät erkannt, was zu hohen Reparaturkosten und langen Ausfallzeiten führt.

• Kommunale Register KI: Das Online-Zugangs-Gesetz verpflichtet die Verwaltung, ihre Dienstleistungen bis 2022 den Bürgerinnen und Bürgern online anzubieten. Diese sollen nicht verpflichtet werden, Daten einzugeben, die einer Behörde bereits bekannt sind. Dazu müssen die Daten zwischen den Registern ausgetauscht werden. Hier geht es etwa um die Entwicklung und den Abgleich eindeutiger Merkmale .

Die T-Labs liefern im PlanQK-Projekt einige spezifische Anwendungsfälle aus dem Bereich der Telekommunikation. Dazu gehören die Optimierung von Kommunikationsnetzen, Industrie 4.0-Anwendungen oder KI-Clustering-Probleme für Kundensegmente. Diese Anwendungen weisen eine hohe Komplexität auf und lassen sich, sofern das Problem eine kritische Größe überschreitet, klassisch kaum oder nur schwer berechnen.

Die Telekom ist offensichtlich zuversichtlich: „Die hierfür zu entwickelnden Quantenalgorithmen versprechen die Lösung. Mit wachsender Größe, Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit, könnten Quantenrechner Einzug in das operative Geschäft der Telekom halten.“

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