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Schneller ans Ziel mit Quantencomputern

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Von: Joachim Wille

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Im Forschungszentrum Jülich arbeitet ein Physiker an einem Quantencomputer.
Im Forschungszentrum Jülich arbeitet ein Physiker an einem Quantencomputer. © Rupert Oberhäuser/Imago

Quantencomputer können den Verkehr in den Städten oder auf den Meeren effizienter und klimafreundlicher machen.

Ein Bus, der den nächsten Stau frühzeitig erkennt? Und der der Fahrerin dann eine neue Route empfiehlt, damit sie ihn umfahren kann und die Fahrgäste pünktlich ankommen? Klingt unglaublich, aber ist möglich: Vor drei Jahren hat VW ein Pilotprojekt dazu durchgeführt, nämlich während einer Konferenz in Lissabon. Um die Besucher:innen der Konferenz möglichst effizient zum Veranstaltungsort zu bringen, rüstete der Konzern Busse der Stadt mit einem selbst entwickelten System zur Verkehrsoptimierung aus. „Die Fahrzeuge sind pünktlich an jedem Haltepunkt eingetroffen, ohne Zeit im Stau zu vergeuden“, berichtet Florian Neukart, der das VW-Projekt damals geleitet hat, und heute beim schweizerischen Start-up Terra Quantum AG arbeitet.

Es war eine Premiere: Das weltweit erste Pilotprojekt zur Verkehrsoptimierung, das auf einem Supercomputer mit besonders hoher Rechenleistung basierte – einem Quantencomputer. Das System berechnete nahezu in Echtzeit die schnellste Route für jeden der neun Busse, die damals angebunden waren. Anders als herkömmliche Navigationsdienste wies der benutzte Quanten-Algorithmus jedem Bus eine individuelle Route zu. Berücksichtigt wurde das (anonym erfasste) Fahrgastaufkommen an den Haltestellen und per Bewegungsstromdaten die Verkehrsdichte, wobei sogar schon erst noch im Entstehen befindliche Staus erfasst wurden. Inzwischen interessieren sich auch mehrere öffentliche Verkehrsunternehmen für das neue System.

Für starre Buslinien eignet sich das System natürlich nicht. Ein Verkehrsunternehmen muss jedem Fahrgast die Mitnahme garantieren, auch wenn seine Haltestelle sich an einer Straße mit Stau befindet – eine Umfahrung ist dann unmöglich. Aber es gibt durchaus Einsatzmöglichkeiten. Zum Beispiel um den „Bedarfsverkehr“ zu optimieren, wie Verkehrsunternehmen ihn in Randzeiten oder auf gering ausgelasteten Verbindungen anbieten, Anrufsammeltaxis oder Rufbusse zum Beispiel. „Diese Angebote werden mit Blick auf die Verkehrswende immer wichtiger“, sagt der Wolfgang Mergenthaler vom Beratungsbüro „Frankfurt Consulting Engineers“. Etwa wenn das Umsteigen vom Auto in den öffentlichen Verkehr auch auf dem Land attraktiv gemacht werden soll. Die Berechnung der Linienführung durch Quantencomputer könne Fahrzeiten kurz halten und den Einsatz der Fahrzeuge optimieren.

Intelligent durch den Stau navigieren

Ein anderer Anwendungsfall: Wenn Verkehrsbetriebe ihren Taktverkehr etwa bei Großereignissen im Stadtgebiet mit temporären Busverbindungen ergänzen. Diese können dann die Haltestelle mit dem höchsten Fahrgastaufkommen zusätzlich bedienen und die Fahrgäste besonders schnell ans Ziel bringen. Volkswagen hat angekündigt, sein System zur Verkehrsoptimierung zur Marktreife weiterentwickeln zu wollen; dabei sollen weitere Variablen integriert werden wie städtische Verkehrsleitsysteme, verfügbare E-Ladesäulen oder freie Parkflächen. Die Entwickler haben das System so angelegt, dass es auf jede beliebige Stadt und für Fahrzeugflotten jeder Größe anwendbar ist. Weitere Pilotprojekte sind in Planung.

Die Technik

Quantencomputer können Rechenoperationen deutlich schneller ausführen als herkömmliche Computer. Sie bearbeiten die möglichen Lösungen eines Problems gleichzeitig, während klassische Rechner eine Aufgabe nach der anderen ausführen und dadurch mehr Rechenzeit benötigen.

In Deutschland wurde der erste Quantenrechner 2021 von IBM eingeweiht. Zudem arbeiten Forschungsprojekte wie „Quantum Flagship“ und „Quasar“ daran, die Technik anwendungsreif zu machen. jw

Wieso bei solchen Aufgaben die üblichen Digitalrechner nicht ausreichen, verdeutlicht das „Travelling Salesman Problem“, wie es IT-Spezialist Manfred Rieck von der Deutschen Bahn auf einer Konferenz des „Cluster Mobility“ im Frankfurter House of Logistics and Mobility (Holm) erläuterte. Dabei geht es um die Planung der Reise eines Geschäftsmanns, bei der alle Orte nur einmal besucht werden und die erste Station auch die letzte sein soll. Bei fünf Städten ergeben sich zwölf Routen, die gefahren werden können. Die Rechenzeit für alle Varianten: zwölf Nanosekunden. Bei zehn Städten gibt es schon 181 440 mögliche Routen. Rechenzeit hier: 0,00018 Sekunden. Bei 20 Städten sind es dann 60 Billiarden Routen, für die ein Digitalrechner Rieck zufolge zwei Jahre Rechenzeit benötigen würde. „Hier Digitalrechner einzusetzen, macht keinen Sinn, erst recht nicht, wenn es statt um 20 Städte um 154 ICE-Bahnhöfe mit 289 ICEs geht.“

Quantencomputer für den Öffentlichen Nahverkehr?

Doch nicht nur der Verkehr in den Städten und auf dem Land könnte von der Nutzung der Quantencomputer profitieren. „Einsatzfelder gibt es auch in der Seeschifffahrt und im Luftverkehr, in der Logistik generell sowie bei der Entwicklung neuer Batterien für Elektroautos“, berichtet Holm-Cluster-Manager Jürgen Schultheis. Die Umsetzung sei zwar komplex, aber es gebe eben auch große Potenziale für mehr Effizienz und mehr Klimaschutz. „Unternehmen und Gesellschaft profitieren“, sagt er.

Das zeigt das Beispiel des internationalen Seeverkehrs: Es wird geschätzt, dass durch eine per Quantencomputing optimierte Geschwindigkeit der Schiffe bis zu zwölf Prozent des Treibstoffverbrauchs eingespart werden können. Damit würde die betriebswirtschaftliche Bilanz der Reedereien deutlich verbessert, aber auch die Umwelt- und CO2-Bilanz des Sektors. Pro Jahr verbrennen Seeschiffe im internationalen Verkehr bis zu 330 Millionen Tonnen Schweröl, ein Kraftstoff, der besonders umweltschädlich ist. Es handelt sich um Rückstandsöle mit hohem Gehalt an Schwefel und anderen Schadstoffen, die Abgase enthalten, Schwefel- und Stickoxide sowie Ruß und Feinstaub. Die Klimabilanz ist ebenfalls kritisch; pro Tag kann ein Containergigant von 400 Meter Länge einige Hundert Tonnen CO2 ausstoßen.

Effizienter über die Weltmeere

Der Hamburger Berater Matthias Imrecke, selbst Nautiker und Kapitän mit viel Erfahrung auf der Fernostroute von Europa nach Asien, ist einer der Initiatoren des weltweit ersten Projekts zu dem Thema: Es soll ein Quantumcomputing-Algorithmus entwickelt werden, der Schiffsrouten und Fahrzeiten laufend optimiert, damit die Transporte just in time am nächsten Ziel ankommen. Imrecke weiß aus Erfahrung: „Heute fahren Kapitäne oft volle Kraft voraus zum nächsten Hafen, um dann festzustellen, dass sie ihre Ladung erst zwei, drei Tage später löschen können. Das schnelle Tempo kostet enorm viel Treibstoff.“ Ein laufender, automatisierter Abgleich, auch während das Schiff unterwegs ist, brächte deutliche Einsparungen – und würde es auch einfacher machen, das Ziel der klimaneutralen Schifffahrt zu erreichen. Es würde zukünftig auch weniger „grüner“ Treibstoff gebraucht, bisher noch absolute Mangelware.

Die Entwicklung des Algorithmus, mit dem die Einspareffekte erzielt werden können, ist freilich noch ziemlich am Anfang. Imrecke schätzt: Die Optimierung von kürzeren Routen, etwa Hamburg–London, wird bis 2023 und die auch von Fernrouten 2025 möglich sei. Immerhin haben eine große Reederei und eine Fährlinie inzwischen Interesse. „Deutschland wäre mit dieser Anwendung des Quantencomputing Weltspitze“, sagte er.

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