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Quantencomputing: Ein Weg zum vollständigen digitalen Zwilling?

Verantwortlicher Redakteur:in: Andreas Müller 3 min Lesedauer

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Ein Forschungsprojekt hat zum Ziel, Fertigungssimulationen mittels Quantencomputing zu beschleunigen und industriell nutzbar zu machen.

(Quelle: IBM Research)
(Quelle: IBM Research)

  • Der digitale Zwilling ist eine Schlüsseltechnologie, um Produktionsprozesse und Bauteile zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung zu erhöhen.

  • Bei der Erzeugung eines vollständigen digitalen Zwillings kommen komplexe und rechenintensive Simulationsmodelle zum Einsatz, was den Einsatz in der industriellen Praxis sehr erschwert.

  • Mit dem Forschungsprojekt »QUASIM« wollen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen und ihre Konsortialpartner Fertigungssimulationen mittels Quantencomputing beschleunigen und dadurch Hürden für den industriellen Einsatz abbauen.

Die Hochleistungszerspanung ist ein wichtiges Verfahren zur Produktion von High-Tech-Komponenten in Industrien wie Triebwerksbau, Halbleiterindustrie und Medizintechnik. Trotz der hohen Effizienz moderner Zerspanprozesse betragen die Produktkosten, je nach Bauteil, oftmals mehrere tausend bis hunderttausend Euro. Ein erheblicher Anteil dieser Kosten entsteht bei zeit- und kostenintensiven Produktionsanläufen sowie durch Qualitätsmängel und Ausschuss innerhalb der laufenden Produktion. Die Prozessauslegung, -optimierung und -überwachung auf Basis eines digitalen Zwillings gewinnt deshalb zunehmend an Bedeutung. Digitale Zwillinge sind virtuelle, datenbasierte Repräsentationen der Bauteile sowie der Fertigungsumgebung. Die Erstellung eines vollständigen digitalen Zwillings erfordert den Einsatz anspruchsvoller numerischer Simulationsmodelle und Algorithmen des Machine Learning. Die Modelle bilden den Fertigungsprozess und seine Auswirkungen auf das Bauteil zwar präzise ab. Ihre Ausführung ist jedoch derart rechenintensiv, dass die reale Anwendung in der Industrie heute noch auf sich warten lässt. Hier fehlt es vielen Unternehmen an einer entsprechend leistungsstarken digitalen Infrastruktur. Quantencomputing kann die Erstellung digitaler Zwillinge beschleunigen.

Quantencomputing für die Erstellung digitaler Zwillinge

Das Forschungsprojekt »QUASIM – Quantum Computing Enhanced Service Ecosystem for Simulation in Manufacturing« verbindet erstmals Quantencomputing (QC) und die metallverarbeitende Industrie: Ziel der Projektpartner ist die Entwicklung und Erprobung von Lösungen des Quantencomputings in der Fertigung, etwa für Zerspanprozesse. Sie möchten herausfinden, inwiefern eine QC-Unterstützung die Erstellung eines digitalen Zwillings in der Zerspanung beschleunigen und damit die Ergebnisqualität verbessern kann.

Das Fraunhofer IPT hat sich zum Thema »Digitaler Zwilling« eine weitreichende Expertise erarbeitet, die sich auch in dPart wiederfindet, ein am Fraunhofer IPT entwickeltes Rahmenwerk für den digitalen Zwilling in der Zerspanung. Das Rahmenwerk wird im Zuge zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsprojekte stetig erweitert und wird auch im Projekt QUASIM zum Einsatz kommen. Zur Erstellung der digitalen Zwillinge kommen unter anderem komplexe Modelle und Algorithmen aus der Numerik und dem maschinellen Lernen zum Einsatz, mit denen sich beispielsweise Kräfte und Prozessschwingungen dynamisch simulieren und visualisieren lassen.

Berechnung komplexer Modelle auf Quantencomputer-Hardware

Um die aufwändigen Berechnungen zu beschleunigen, wird die dPart-Softwareplattform um eine sogenannte »Quantum-as-a-Service«-Komponente (QaaS) erweitert. Für kritische Simulationen greift das dPart-Framework auf ein QaaS-Back-End zu, um die Recheneffizienz zu steigern. Für ihre Forschungsarbeiten können die Projektpartner reale QC-Hardware nutzen: sowohl die gerade in Betrieb genommene QC-Infrastruktur am Forschungszentrum Jülich als auch der »IBM Q System One« des Kompetenzzentrums »Quantencomputing Baden-Württemberg«. Die QaaS-gestützte Software zur Erstellung des digitalen Zwillings wird in die industrielle Praxis überführt und dort getestet. Anschließend ist ein Transfer der Ergebnisse in Form einer Know-how-Lizenzierung geplant.

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Förderung

Das Forschungsprojekt »QUASIM« wird im Rahmen des Förderprogramms »Quanten-Computing – Anwendungen für die Wirtschaft«, einem Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), gefördert. Das Programm dient der Förderung von Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvorhaben, die die technische Machbarkeit, Tragfähigkeit und Sinnhaftigkeit von Quantencomputing am Beispiel relevanter, praktischer Anwendungsfälle nachweisen und demonstrieren. Die Laufzeit des Projekts umfasst 36 Monate.

Der IBM Quantum System One steht am Fraunhofer IAF in Ehningen. Es ist der bisher leistungsfähigste Quantencomputer in Europa. © IBM Research

Informationen zum Projekt »QUASIM«: https://www.quasim-project.de/

Weitere Informationen zum dPart Digital Twin Framework: https://www.ipt.fraunhofer.de/de/projekte/dpart.html

Weitere Informationen zum Fraunhofer Kompetenznetzwerk Quantencomputing: https://www.fraunhofer.de/de/institute/kooperationen/fraunhofer-kompetenznetzwerk-quantencomputing.html

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