Erste Quantenlösungen: die Fähre Konstanz-Meersburg
Schon zwei Monate nach Projektbeginn konnten optimale Geschwindigkeitsprofile für einen Modellfall auf einem Quantencomputer bestimmt werden. Behandelt wurde die Fähre Konstanz-Meersburg, die auf einer 4,25 Kilometer langen Strecke den Bodensee an einer Engstelle überquert. Auf dieser Strecke spielen Wind und Strömung in der Regel nur eine untergeordnete Rolle und wurden zur Vereinfachung in diesen ersten Rechnungen nicht berücksichtigt. Ziel der Optimierung ist es hier, querfahrenden Wasserfahrzeugen möglichst effizient auszuweichen. Dies bedeutet zum Beispiel anschaulich, notwendige Geschwindigkeitsänderungen frühzeitig durchzuführen. Bremst man nämlich erst spät, muss die Geschwindigkeit sehr stark und im Zweifelsfall bis zum Aufstoppen reduziert werden, um die Kollision zu verhindern. Dann wird jedoch unnötig viel Treibstoff zur erneuten Beschleunigung auf die Normalgeschwindigkeit verbraucht.
Diese Optimierungsaufgabe wurde auf einem Quantenrechner der Plattform PlanQK implementiert. Das untere Bild zeigt auf der Karte die Route der Fähre mit der verwendeten räumlichen Diskretisierung. Aufgrund der noch sehr begrenzten Rechenkapazität der Quantenrechner -es wurden 220 Qubits genutzt- fällt die Diskretisierung recht grob aus. Zu sehen sind weiterhin zwei Querfahrer, die als bewegliche Hindernisse modelliert wurden. Die Position der Fähre ist für zwei Rechenfälle dargestellt, in Rot eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit. In dieser Rechnung steht die Fähre kurz vor der Kollision mit dem Querfahrer. Die Quantenlösung ist mit dem grünen Marker dargestellt, in diesem Fall hat die Fähre vor dem Querfahrer beschleunigt und fährt sicher weiter. Für die Quantenlösung sind im rechten Teil des Bildes Grafiken mit der Schiffsgeschwindigkeit, dem akkumulierten Treibstoffverbrauch und der entlang der Route zurückgelegten Strecke zu finden.
Dieses Beispiel ist nicht als konkrete Anwendung gedacht, es zeigt als Machbarkeitsstudie jedoch, dass eine Optimierung auf dem Quantenrechner grundsätzlich möglich ist.
