Beschreibung
Quantencomputer können im Prinzip hochgradig parallel rechnen und sind damit grundsätzlich besonders geeignet, umfangreiche Optimierungsaufgaben z. B. für Logistikprozesse effizient zu lösen. Dennoch werden Quantencomputer aufgrund der gegenwärtigen Einschränkungen in der Leistungsfähigkeit bislang selten kommerziell eingesetzt. Es ist jedoch zu erwarten, dass diese Einschränkungen in den nächsten Jahren überwunden werden. Existierten Quantencomputer in der Vergangenheit als Einzelstücke in wissenschaftlichen Laboren, gibt es nun zum Beispiel mit D-Wave Systems privatwirtschaftliche Anbieter solcher Systeme. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Projekt „Quantum Supported Maritime Just-In-Time Navigation“ (QSMN) Werkzeuge, mit denen in der Praxis relevante Optimierungsaufgaben auch auf gegenwärtigen Quantenrechnern gelöst werden können. Diese Werkzeuge werden in Zusammenarbeit mit Industriepartnern an wirtschaftlich sinnvollen, mit steigender Leistungsfähigkeit der Quantenrechner umfangreicheren Aufgaben erprobt, die schließlich die Fähigkeiten klassischer Computer überschreiten.Als eine ökonomisch und auch ökologisch interessante Aufgabe für QSMN wurde die Optimierung des Treibstoffverbrauchs und damit der Treibhausgasemissionen von Binnen- und Seeschiffen ausgewählt. Die Emissionen dieser Verkehrsmittel sind bezogen auf Ladung und Strecke gering, aufgrund der riesigen Transportmengen wirken sich aber Einsparungen deutlich auf die globalen Emissionen aus.In der gegenwärtigen Praxis fahren Schiffe häufig schneller, als es für eine pünktliche Ankunft notwendig ist, um einen Zeitpuffer für unerwartete Ereignisse zu haben, aber auch um an der Spitze möglicher Warteschlangen etwa bei der Hafenabfertigung zu stehen. Die daraus resultierenden Wartezeiten schätzt die IMO auf bis zu 9% der Gesamtzeit ein, das bedeutet, dass schon mit einer Just-in-Time-Arrival Strategie bis zu 18% des Treibstoffs eingespart werden können. Kosten und Emissionen können weiter reduziert werden, indem förderliche Umweltbedingungen wie Wind, Seegang und Strömung genutzt und widrige Bedingungen vermieden werden. Ein erstes Ziel von QSMN ist daher die Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen, mit denen für eine gegebene Route das Reiseziel bei minimalem Treibstoffeinsatz genau zur RTA (Requested Time of Arrival), erreicht wird.Diese optimalen Geschwindigkeitsprofile werden auf zwei Arten bestimmt. Mit Hilfe der stochastischen Bellmann-Gleichung wird ein Optimierungsverfahren auf einem klassischen Computer implementiert, dieses in Zusammenarbeit mit Industriepartnern erprobt und schnell zur Marktreife gebracht. Parallel dazu wird ein Quantenalgorithmus für diese Routingaufgabe entwickelt, der auf der jeweils verfügbaren Quantenhardware getestet und mit Hilfe des klassischen Verfahrens überprüft wird.Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 1362/22-67) wird im Rahmen der Innovationsförderung Hessen aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert.