EnerQuant: Quantencomputing für die Energiewirtschaft

Energiewirtschaftliche Fundamentalmodellierung mit Quantenalgorithmen

Im BMWi-geförderten Projekt entwickeln wir Algorithmen für Qubit-basierte Quantencomputer und Quantensimulatoren zur Lösung eines energiewirtschaftlichen Fundamentalmodells mit stochastischen Einflussgrößen. Als Basis des Projektes definieren wir ein einfaches Fundamentalmodell, welches wir in ein quantenmechanisches Problem übersetzen und welches sich effizient auf einem Quantensimulator lösen lässt. Die entwickelten Algorithmen werden in einem Prototyp implementiert und auf einem Quanten-Annealer getestet.

In der Folge werden Fundamentalmodell und Quantensimulator sukzessive weiterentwickelt mit dem Ziel, den deutschen Strommarkt hinreichend genau stochastisch zu modellieren. Wir vergleichen die Ergebnisse mit einem Benchmark auf klassischen High-Performance Computing Systemen und evaluieren alternative Architekturen.

Beitrag zur Energiesystemmodellierung

EnerQuant ermöglicht, das Potential neuer Computing-Technologien für die energiewirtschaftliche Modellierung zu nutzen. Wir zeigen auf, wie Fundamentalmodelle formuliert werden, um die Rechenleistung von Quantensimulatoren einzusetzen, und leisten so langfristig einen Beitrag für die Weiterentwicklung der Energiesystemmodellierung. Die Ergebnisse werden in die Software-Plattform unseres Partners JoS QUANTUM einfließen und stehen so der Industrie nach Projektende zur Verfügung.

Des Weiteren liefert EnerQuant eine Analyse des Potentials von Quantencomputern und stellt dessen Effizienz in direkten Vergleich zu klassischer Hardware und alternativen Ansätzen zur Lösung von Optimierungsproblemen.
 

Fraunhofer-Expertise

  • Fraunhofer ITWM (Koordination, Abteilungen »Finanzmathematik« und »High Performance Computing«)
  • Fraunhofer IOSB-AST

Wir koordinieren das Projekt EnerQuant und beschreiben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOSB-AST das energiewirtschaftliche Fundamentalmodell. Dabei steuert das Fraunhofer IOSB-AST ein eigenes fundamentales Marktmodell sowie Kompetenz im Bereich der Modellierung von Unsicherheiten bei.

In unserer Abteilung »Finanzmathematik« verfügen wir bereits spezielle Kenntnisse im Bereich stochastische Modellierung und mathematische Optimierung und übernehmen mit dem Competence Center High Performance Computing das Benchmarking der Modelle.

Optisches System zur Laserkühlung
© KIP Heidelberg
Optisches System zur Laserkühlung und Kontrolle von ultrakalten Natriumatomen im Labor am Kirchhoff-Institut für Physik Heidelberg.
Screenshot vom digitalen Kickoff zum Projekt EnerQuant
© Fraunhofer ITWM
Screenshot vom digitalen Kickoff zum Projekt EnerQuant: Quantencomputing für die Energiewirtschaft.

Die weiteren Partner

  • JoS QUANTUM
    verfügt über Expertise im Bereich Quanteninformatik und der Entwicklung von Quanten- und Quanten-inspirierten Algorithmen. JoSQ übernimmt die Übersetzung des Problems auf eine Quantenformulierung, das Design der Lösungsalgorithmen und Prototypen sowie Tests auf verschiedener verfügbarer Hardware und Plattformen. JoSQ verfügt über ein breites Partnernetzwerk mit Zugriffsmöglichkeiten auf verschiedene klassische Hochleistungscomputer und Quantencomputer.

  • Die Universität Heidelberg
    hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von spezialisierten Quantensimulatoren und dem Bau von Prototypen basierend auf ultrakalten Atomen. Dies involviert sowohl die Kenntnisse der mathematischen Formalismen als auch das technische Knowhow für den Bau der Maschinen. Die vorhandene Expertise bildet optimale Voraussetzung für die Entwicklung eines für das Fundamentalmodell optimierten Quantensimulators.
     
  • Die Universität Trient
    hat langjährige Expertise in der Entwicklung theoretischer Grundlagen für Quantentechnologien. Dies umfasst sowohl das Designen von Algorithmen als auch die theoretischen Beschreibung verschiedener technologischer Plattformen, wobei ein besonderes Merkmal die enge Zusammenarbeit mit experimentellen Teams ist. Die Universität Trient wird diese Erfahrung bei der Übersetzung des Fundamentalmodell auf experimentelle Quantensimulatoren gewinnbringend einbringen.

Die Teilvorhaben

Das Projekt strukturiert sich in die folgenden Teilvorhaben, die jeweils von einem Projektpartner koordiniert werden.

  • Teilvorhaben 1: Energiewirtschaftliche Modellierung
    Formulierung des Fundamentalmodells in verschiedenen Komplexitätsabstufungen, qubit-Formulierung, stochastische Modellierung und Evaluation auf alternativen Hardwarearchitekturen (Koordination: Fraunhofer)

  • Teilvorhaben 2: Algorithmen für digitale Quantencomputer
    Lösungsansätze für verschiedene Quantencomputer-Architekturen, Anbindung der Algorithmen  als Microservices über die Cloudsoftware »Grundzustand« zur kommerziellen Nutzung nach Projektende (Koordination: JoS QUANTUM GmbH)
Screenshot vom digitalen Kickoff zum Projekt EnerQuant
© Fraunhofer ITWM
Screenshot vom digitalen Kickoff zum Projekt EnerQuant: Quantencomputing für die Energiewirtschaft.
  • Teilvorhaben 3: Entwicklung analoger Quantensimulatoren
     
    Design eines optimierten Quantensimulators, Entwicklung eines Prototypen basierend auf ultrakalten Atomen (Koordination: Universität Heidelberg, Universität Trient)

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und ist Teil der Strategie von Fraunhofer, Quantencomputing für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik werden diese und weitere Aktivitäten im neu gegründeten Kompetenzzentrum »Quanten-High Performance Computing« gebündelt.

Laufzeit:

Das Projekt läuft über drei Jahre. Projektstart war im September 2020.