Rymax One – Entwickeln eines Quantencomputers zum Lösen von Optimierungsproblemen

BMBF-Projekt »Rymax«: Entwickeln von Algorithmen für Quantencomputing mit HPC-Anbindung und Benchmarking

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt entwickeln wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern einen Quantencomputing-Demonstrator auf Basis von Rydberg-Atomen: den Rymax One.

Das Rymax-Konsortium setzt sich aus einem Team von Forschenden der Universität Hamburg, der RPTU Kaiserslautern und unseres Instituts zusammen, das sich mit führenden Technologieunternehmen zusammengeschlossen hat. Gemeinsam verfolgen wir das Ziel einen Quantencomputer zu entwickeln, der in der Lage ist, Optimierungsprobleme möglichst effizient zu lösen – etwa in der praktischen Anwendung bei Logistikabläufen, Lieferketten und Prozessoptimierung. Unser Institut, das Fraunhofer ITWM, bildet dabei die Brücke zwischen den Technologiepartnern, die den Quantencomputer konstruieren und den Anwendenden von der Hamburger Hafen Logistik owie der OTTO Gruppe, die die Praxiserfahrung beisteuern. 

Mit diesen assoziierten Industriepartnern identifizieren wir gemeinsam relevante Optimierungsprobleme aus dem Logistikumfeld, die dann mit Hilfe des Rymax One gelöst werden sollen.

 

Rechnen mit Atomen für die Industrieanwendung

Das Akronym setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen: RY steht für Rydberg-Atome – eine der Möglichkeiten, Quantencomputer zu realisieren – und MAX beschreibt, dass das Team das Maximum aus dieser Technologie herausholen möchte. Der Quantencomputer selbst wird in dem neu errichteten RPTU-Forschungsgebäude »Laboratory for Advanced Spin Engineering« (LASE) auf dem Universitätscampus Kaiserslautern und an der Universität Hamburg stehen. Quantencomputer haben das Potential, bestimmte mathematische Probleme besser als klassische, digitale Computer lösen zu können. Unsere Aufgabe im Projekt ist es, die praktischen Anwendungsfälle der assoziierten Inudstriepartner geeignet zu modellieren sowie passende Algorithmen und Software bereitzustellen, so dass wir dieses Potential möglichst gut ausschöpfen.

Expertise aus Kaiserslautern und Ziele des Fraunhofer ITWM

Seitens unseres Teams am Fraunhofer ITWM bringen Wissenschaftler:innen aus den Bereichen »High Performance Computing« (HPC) und »Optimierung« (OPT) ihre Expertise mit ein. Dabei stehen folgende Ziele im Fokus:

  • Entwickeln von Algorithmen: Für das effiziente Steuern und Nutzen des Rymax One sind spezielle Algorithmen nötig, die auf die geplante Architektur zugeschnitten werden.
  • Anbinden an HPC-/Cloud Software: Um eine Aufteilung hybrider Algorithmen auf verschiedene Systeme zu gewährleisten, kommt eine ereignisgesteuerte Architektur zum Einsatz. Dies ist gerade bei industriellen Anwendungen wichtig, um die Daten weitestgehend lokal zu bearbeiten, damit die Latenz zwischen dem Quantencomputer und den klassischen Systemen für iterative Algorithmen möglichst kurz ist.
  • Leistungsevaluation: Um die Leistungsfähigkeit des Rymax One in Bezug auf die Lösung von Optimierungsaufgaben im Zusammenhang mit Planung und Logistik möglichst objektiv zu beurteilen, ist es notwendig, umfangreiche Benchmarks durchzuführen. Das Konzipieren, Entwickeln und Umsetzen dieser Benchmarks ist ein weiteres Ziel des Vorhabens.
Rymax One Quantum Optimizer
© Fraunhofer ITWM
In einer Vakuumkammer werden einzelne Atome (rot, blau) mit Laserstrahlen festgehalten und in sogenannte Rydberg-Zustände überführt, die kontrolliert hochverschränkte Quantenzustände einnehmen können.

Der Rymax One wird mit einer relativ neuen Technologie arbeiten, die auf neutrale Atome setzt, die in einen sogenannten Rydberg-Zustand gebracht und mithilfe von Lasern im Raum angeordnet und gesteuert werden.

Derartige Rydberg-Atome zeichnen sich dadurch aus, dass das äußerste Elektron sich in einem hohen Energiezustand befindet. Das führt zu einem besonders gut kontrollierbaren physikalischen Verhalten.

Die daraus resultierende Wechselwirkung zwischen Gruppen von Rydberg-Atomen ermöglicht insbesondere die Realisierung von bestimmten Quantenalgorithmen, die sich beispielsweise für die Lösung von Optimierungsaufgaben nutzen lassen.

Basis bisherige Forschung der beiden ITWM-Bereiche – Optimierung und HPC treiben voran

Unser Bereich »Optimierung« beschäftigt sich seit langer Zeit intensiv mit Fragestellungen in der Produktionsplanung und der Optimierung von Logistiknetzwerken in verschiedenen Industrien. Hierzu kommen besonders Techniken der multikriteriellen Optimierung sowie heuristische Verfahren zum Einsatz und werden stetig weiterentwickelt.

Unser Bereich »High Performance Computing« bietet umfassende Tools für neuartige Beschleuniger an. Als eine wichtige Komponente im Rymax-Projekt konzipieren und realisieren wir eine HPC-Schnittstelle für HPC-Hardware als Baustein zwischen klassischem und quantenmechanischem Hochleistungsrechnen.

Am Ende des Projektes soll ein Prototyp stehen, der praxistauglich ist, daher sind marktführende Unternehmen wie die Hamburger Hafen und Logistik Aktiengesellschaft HHLA, Hermes sowie die Otto Group mit an Bord. Auf diese Weise bleiben Fragen nach dem Nutzen für Probleme bei Lagerhaltung, Umplanung von Produktionsprozessen oder Logistik während der Entwicklung immer im Blickfeld unserer Forschung. Nach einem erfolgreichen Abschluss von Rymax sollen weitere zukünftige Anwendungsgebiete dieser Quantencomputertechnologie wie die Berechnung neuer Wirkstoffe für Medikamente oder die Optimierung von Versicherungsalgorithmen erschlossen werden.

Unsere Projektpartner

  • Universität Hamburg, Zentrum für Optische Quantentechnologien (Projektkoordination, Prof. Dr. Klaus Sengstock)
  • RPTU Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Fachbereich Physik
  • Data cybernetics ssc GmbH, Landsberg am Lech
  • Menlo Systems GmbH, Planegg
  • LAYERTEC GmbH, Mellingen
  • HighFinesse Laser and Electronic Systems GmbH, Tübingen
  • Schäfter + Kirchhoff GmbH, Hamburg
  • Spectrum Instrumentation GmbH, Großhansdorf
  • FiberBridge Photonics GmbH, Hannover
  • QUARTIQ GmbH, Berlin

Assoziierte Partner

  • Otto GmbH & Co KG, Hamburg
  • Hamburger Hafen und Logistik AG, Hamburg

Projektlaufzeit und -förderung

Das Projekt ist auf eine Laufzeit von fünf Jahren angelegt (01.12.2021 bis 30.11.2026) und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Maßnahme »Quantencomputer-Demonstrationsaufbauten« gefördert. Das gesamte Projektvolumen beträgt 29 Millionen Euro (zu 87,1 Prozent gefördert durch das BMBF).