Wie können hochkomplexe Planungsaufgaben im Schienenverkehr mithilfe von Quantencomputern besser und schneller gelöst werden als bisher? Diese Frage beantworten das Beratungsunternehmen d-fine und der Quantencomputer-Hersteller planqc im Auftrag der DLR Quantencomputing-Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Dafür arbeiten sie in den nächsten 18 Monaten mit dem DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik und dem DLR-Institut für Quantentechnologien sowie mit starken Partnern aus Forschung, Eisenbahnverkehr und Eisenbahninfrastruktur am DLR QCI-Projekt „QCMobility | Schienenverkehr“. Hierdurch wird im Rahmen des Gesamtprojekts QCMobility ein wesentlicher Beitrag für die Roadmap zur zukünftigen Entwicklung von „Quantencomputing und Mobilität“ geschaffen.
Gemeinsam mit den DLR-Instituten will das Konsortium herausfinden, wie Quantencomputer dazu beitragen können, den Bahnverkehr effizienter und zuverlässiger zu machen. Denn Disponenten und Verkehrsplaner stehen täglich vor hochkomplexen Entscheidungen, die teils innerhalb von Sekunden getroffen werden müssen. Welcher Zug hat Vorrang, wenn eine Strecke blockiert ist? Wie lassen sich Baustellen, extreme Wetterereignisse, Verspätungen oder Engpässe im Schienennetz in Echtzeit berücksichtigen? Treffsichere Antworten sind zentral, denn schon kleine Störungen können sich im dicht getakteten Betrieb zu großflächigen Verspätungen aufschaukeln. Auch die langfristige Trassen- und Fahrplanplanung ist eine Herausforderung, bei der unzählige Abhängigkeiten und Szenarien zum Beispiel durch die Berücksichtigung paralleler Trassenanfragen und gesperrten Streckenabschnitte beachtet werden müssen.
Bisherige Optimierungsverfahren, die auf klassischer Hardware laufen, stoßen dabei jedoch an ihre Grenzen. Denn die Zahl der Möglichkeiten wächst exponentiell. Quantencomputer eröffnen hier neue Perspektiven: Sie könnten komplexe Entscheidungsprozesse deutlich schneller und umfassender berechnen. Im Projekt QCMobility | Schienenverkehr wird daher erstmals systematisch getestet, wie quantengestützte Algorithmen in realen Bahnszenarien eingesetzt werden können – von der kurzfristigen Disposition im Störungsfall bis zur strategischen Infrastruktur- und Fahrplanplanung.
Hessische Landesbahn, DB InfraGO und ÖBB-Infrastruktur stellen Anwendungsfälle, Erfahrung zu den Herausforderungen und Prozessen ebenso wie Echtdaten
Die Anwendungsfälle stammen direkt von Praxispartnern aus dem Bahnsektor und bilden die Grundlage, um reale Herausforderungen in mathematische Modelle zu überführen und mit quantengestützten Optimierungsansätzen zu lösen. Dabei kommen unter anderem reale Fahrplandaten und Buchungsinformationen zum Einsatz. Ziel ist es, die Ergebnisse mit klassischen Methoden zu vergleichen und eine belastbare Roadmap für den künftigen Einsatz von Quantencomputern im Bahnwesen zu entwickeln. So lässt sich abschätzen, welches Potenzial Quantencomputing für den Schienenverkehr tatsächlich bietet.
Für die Umsetzung wurde ein Konsortium zusammengestellt, das sowohl hohe Praxisnähe als auch wissenschaftliche und technologische Expertise vereint. Koordiniert und geleitet wird das Konsortium von d-fine und planqc. Die Hessische Landesbahn bringt ihre Kompetenzen zu praxisnahen Anwendungsfällen ein, das Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS seine Expertise im Bereich der Quantenmethodiken. Zusätzlich beteiligen sich die DB InfraGO AG und die ÖBB-Infrastruktur AG als assoziierte Partner mit ihrer langjährigen Erfahrung als Schieneninfrastrukturbetreiber und stellen wertvolle Einblicke zu den Prozessen und Echtdaten aus dem laufenden Betrieb zur Verfügung. Gemeinsam entsteht ein starkes Netzwerk aus Industrie, Forschung und Praxis, das den realistischen Einsatz von Quantencomputern im Bahnsektor erprobt.
„Wir kombinieren unsere Expertise in den Bereichen Schienenverkehr und Quantencomputing, um diese zukunftsweisende Technologie für reale Probleme im Schienenverkehr wertschöpfend einzusetzen und dadurch die Potentiale greifbar zu machen“, sagt Felix Westerkamp, Manager von d-fine.
„Der Schienenverkehr ist ein perfektes Beispiel für ein hochkomplexes Optimierungsproblem, bei dem Quantencomputer echte Mehrwerte liefern könnten – von schnelleren Entscheidungen im Störungsfall bis zu langfristig stabileren Fahrplänen”, erklärt Dr. Alexander Glätzle, CEO von planqc. „Wenn wir im Bahnsektor zeigen, welches Potenzial Quantencomputing hat, ebnen wir den Weg für viele weitere Branchen, die vor ähnlichen Optimierungsproblemen stehen.“
„Vom Projekt QCMobility erhoffen wir uns neue Lösungsansätze für die Optimierung der Fahrplanung praktisch ausprobieren zu können und somit eine Verbesserung der bestehenden Algorithmen zu erzielen”, ergänzt Dr. Sebastian Kühn von DB InfraGO.
Mit dem DLR QCI-Projekt QCMobility | Schienenverkehr wird erstmals systematisch untersucht, wie Quantencomputer dazu beitragen können, den Bahnverkehr effizienter, resilienter und verlässlicher zu machen – und damit einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Mobilität der Zukunft leisten.
Über d-fine
d-fine ist ein europäisches Beratungsunternehmen mit Fokus auf analytische und quantitative Herausforderungen und die Entwicklung nachhaltiger technologischer Lösungen. Die Kombination aus über 1.500 naturwissenschaftlich geprägten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und langjähriger Praxiserfahrung ermöglicht passgenaue, effiziente und nachhaltige Umsetzungen für unsere mehr als zweihundert Kunden aus allen Wirtschaftsbereichen.
Über planqc
planqc entwickelt Quantencomputer auf Basis neutraler Atome – der schnellste Weg zu skalierbaren Quantenprozessoren für industrielle Anwendungen. Gegründet im April 2022 in Garching bei München von Alexander Glätzle, Sebastian Blatt und Johannes Zeiher, ist planqc das erste Spin-off des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik im Rahmen der Munich Quantum Valley-Initiative. Das Unternehmen baut auf einer engen Partnerschaft mit dem Max-Planck-Institut und jahrzehntelanger Spitzenforschung in der Neutral-Atom-Quantentechnologie auf. In der Series-A-Finanzierungsrunde sicherte sich planqc 50 Millionen Euro, angeführt von CATRON Holding und dem DeepTech & Climate Fonds (DTCF). Weitere Investoren sind Bayern Kapital, die Max-Planck-Stiftung, UVC Partners, Speedinvest sowie eine Förderung des BMBF.
Über die DLR Quantencomputing-Initiative
Die DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) bringt Forschung, Industrie und Start-ups zusammen, um gemeinsam Quantencomputer, Fertigungstechnologien und relevante Anwendungsfälle zu entwickeln. Dazu stellt die DLR QCI ihnen an zwei Innovationszentren in Hamburg und Ulm die notwendigen technologischen Infrastrukturen, Werkstätten und Büroflächen zur Verfügung. So entsteht ein starkes Ökosystem für die Industrialisierung des Quantencomputings in Deutschland, ermöglicht durch Mittel des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt.
