QMPC – Quantum Mission Planning Challenges
Projektlaufzeit: 1.11.2022 – 30.10.2026
Ziel: Wir lösen Missionsplanungsprobleme mithilfe dreier Quantenalgorithmen und erstellen eine Schnittstelle zwischen einem klassischen Planungssystem und Quantencomputern.
Wir betrachten drei Herausforderungen aus dem Raumfahrtbetrieb und implementieren diese auf skalierbare Art und Weise für Quantencomputer: Neben der Rufbereitschaftsplanung geht es dabei um die Planung von Bodenstationskontakten für Satellitenkonstellationen sowie die möglichst optimale Aufnahmeplanung eines Erdbeobachtungssatelliten unter Einhaltung der technischen Schranken. Neben der Entwicklung der Quantenalgorithmen steht die Operationalisierung und Evaluierung der Algorithmen im Vordergrund. Darüber hinaus erforschen wir weitere Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputern am German Space Operations Center (GSOC).
Motivation
Es gibt bereits eine Vielzahl von Anbietern, welche NISQ-Systeme oder auch Quantenannealer mittels Web-APIs zur Verfügung stellen. Um deren Nutzbarkeit für reale Herausforderungen zu verifizieren und das German Space Operations Center quantenzukunftsfähig zu machen, wollen wir ausgewählte Planungsprobleme aus dem operationellen Raumfahrtbetrieb mittels solcher Quantencomputer lösen.
Darüber hinaus werden wir analysieren, inwiefern man dies effizienter, schneller oder auch besser skalierbar umsetzen kann als mit klassischen Lösungen. Insbesondere Missionsplanungsprobleme sind dafür sehr geeignet, da diese häufig generischer Natur sind.
Durch die Implementierung der relevanten Services und Schnittstellen erhalten wir eine gute Vorlage für eine zukünftige Implementierung weiterer Herausforderungen. Darüber können viele derartige Probleme mit mehreren Algorithmen gelöst werden. Das ist eine gute Grundlagen für Vergleiche zwischen klassischen Algorithmen und verschiedenen Quantenalgorithmen hat.
Herausforderung
Unsere Hauptaufgabe ist, reale operationelle Probleme aus der Missionsplanung mit Hilfe von Quantenalgorithmen umzusetzen. Außerdem werden wir Lösungen hinsichtlich ihrer Qubit- und Gatternutzung optimieren und in den operationellen Workflow des Satellitenbetriebs einbinden.
Da die Kapazität aktueller Quantencomputer begrenzt ist, versuchen wir die Größe lösbarer Probleme mit den implementierten Algorithmen zu erweitern. Dies geschieht zum Beispiel durch hybride Ansätze, verbessertes Problem-Encoding und Schaltkreisoptimierung. Häufig können wir generische Algorithmen auch problemspezifisch optimieren.
Darüber hinaus wollen wir diese Methoden auch in den operationellen Betrieb und den damit verbundenen Anforderungen integrieren. Dazu definieren wir geeignete Interfaces, erstellen Services und ermöglichen die Anbindung an existierende APIs. Zuletzt zeigen wir die Verwendung der entwickelten Algorithmen in einer End-to-End-Demonstration.
Publikationen
DLR Institut
Auftragnehmer
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