Interdisziplinäre Fachtagung
Fast Forward Future
am 1. + 2.10.24 in Tübingen
Chancen und Herausforderungen des hybriden Quantencomputings für eine optimierte Transformation hin zu regenerativen Wirtschaftsmodellen und Closed Circular Loops
Chairs: Anna Hoffmann, Prof. Dr. Reinhard Kahle, Prof. Dr. Klaus Mainzer
Chip ion trap for quantum computing; By National Institute of Standards and Technology - Quantum Computing; Ion Trapping, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51195437
Wir wollen mit der Fachtagung „Fast Forward Future“ die Potentiale und nachhaltigen Optionen zur Lösung von komplex-dynamische Problemstellungen durch hybrides Quantencomputing im Kontext der Transformation zur Kreislaufwirtschaft beleuchten.
Gemeinsam durchdenken wir Szenarien der zirkulären Transformation, die durch die im Entstehen begriffenen Innovationen im Quantencomputing in einem Zeithorizont von 5 Jahren wahrscheinlich gelöst werden könnten. Dabei behalten wir auch mögliche überhöhte Erwartungen oder eventuelle Risiken für die Gesellschaft im Blick.
Die Grundlage für die Diskussion sind die aktuellen Entwicklungen im Quantencomputing der neuen Generation sowie die Erfahrungen von Akteuren, die bereits KI-Lösungen für die Kreislaufwirtschaft entwickelt haben oder als Orchestratoren für die Etablierung von Kreislaufwirtschaft-Ökosystemen mit geschlossenen Stoffströmen (Closed Loops) wirken.
Zusammen wollen wir ein realistisches Bild einer potentiellen zirkulären Zukunft zeigen, die durch hybrides Quantencomputing der neuen Generation mitermöglicht wird und damit weiteren Akteuren in Deep Tech und der Kreislaufwirtschaft Inspiration bieten und Mut macht.
Interdisziplinäre Vernetzung und der offene Austausch zu Herausforderungen und gemeinsamen Chancen und Zielen stehen thematische im Mittelpunkt von „Fast Forward Future“.
Magnesium ions in a trap: By National Institute of Standards and Technology - Planar Ion Trap; Magnesium Ions, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51196024
Die Fachtagung strebt deshalb die Teilnahme von Akteuren aus drei Säulen an:
- Forschende und Praktiker aus dem Fachgebiet des Quantencomputing
- Start-Ups und Wissenschaftler, die bereits Machine Learning Verfahren für die Kreislaufwirtschaft entwickelt haben und an den Optionen von Quantencomputing interessiert sind
- Netzwerker:innen, die sich für die Bildung von Closed Circular Loops in einer regenerativen Ökonomie einsetzen und sich Quantencomputing als wichtiges Werkzeug für dieses Ziel vorstellen können
Die Teilnehmenden sollen in Inputs von 20 – 30 Minuten ihr aktuelles Arbeitsfeld vorstellen können, damit für alle Beteiligten ein gemeinsamer Denkraum entstehen kann.
Konferenzbeiträge
Zukunft durch nachhaltige Innovation
Keynote von Prof. Klaus Mainzer
"Auf dem Hintergrund der aktuellen politischen, wirtschaftlichen und militärischen Weltlage wird deutlich, woran es in der jüngsten Vergangenheit gravierend mangelte – an strategischem Denken. Der Schlüssel zu einer gelungenen Strategie für Europa heißt Innovation. Der Druck der gegenwärtigen Krisen sollte genutzt werden, um beschleunigt in nachhaltige Innovationen umzusteigen. So soll das eigentliche große Menschheitsproblem gelöst werden – die globale Umwelt- und Klimakrise."
Aktuelle Lösungen des hybriden Quantencomputings
- Basiswissen QC/"Der Hype" und was dran ist
- Crashkurs Anwendungen von QC (Optimierung, Maschinelles Lernen, Simulation)
- Quantenvorteil und Quantennützlichkeit (=quantum utility), oder: "Zurück auf den Boden der Tatsachen"
- Forschungsprojekt QuaST - Quantencomputing nutzbar machen (Vision, Partner, Ergebnisse)
- Perspektive auf die aktuelle Forschungslandschaft im Bereich QC
Keynote von Benedikt Poggel, Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS, München
"Quantencomputing (QC)-gestützte Lösungen können industrielle Optimierungsprobleme erheblich voranbringen und damit Zeit und Geld sparen. Allerdings sind QC-gestützte Lösungen aktuell noch nicht für die breite Masse von industriellen Anwendern verfügbar. Dies liegt nicht nur an den Limitierungen der Quantencomputing-Hardware, sondern auch daran, dass tiefgehendes Informatik- und Physikwissen notwendig ist, um aktuelle Quantencomputer programmieren zu können. Allgemein fehlt ein niedrigschwelliger Zugang zu QC-gestützten Lösungen für Endanwender. Dies möchte das Projekt »QuaST – Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen« ändern."
Blogbeitrag "Leicht zugängliches und robustes Quantencomputing" von Dr. Jeanette Miriam Lorenz aus dem Projekt QuaST (Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen), Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS, München
Automatisiertes Quantum Machine Learning – QML für jederfrau?
Dr. Florian Knäble, Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart
"Ausgehend von Anwendungsfällen aus dem Automotive- und Produktionsbereich werden neue Werkzeuge, Komponenten, Methoden und Algorithmen für das maschinelle Lernen mit Quantencomputern entwickelt. Die im Projekt entwickelten Werkzeuge und Methoden werden als Open-Source-Lösung in die PlanQK-Plattform integriert und so (Quanten)-Entwickelnden zugänglich gemacht. Darüber hinaus wird neue Quantencomputing-Software zum automatisierten maschinellen Lernen entwickelt, insbesondere für hybride QML-Algorithmen mittels Quantencomputing."
Wo sind Stellschrauben auf dem Weg zur Quantum Readiness?
Felix Bickert, Center for Responsible Research and Innovation (CeRRI)
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Berlin
Studie: "Potenziale und Bedarfe des Quantencomputing-Ökosystems", 2024
"Quantencomputing hat in den letzten Jahren viel Interesse auf sich gezogen, da es das disruptive Potenzial hat, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Rechnerarchitekturen nicht oder nur eingeschränkt lösbar sind. Vor diesem Hintergrund entsteht ein internationales Innovationsökosystem, in dem Akteure aus Forschung, Wirtschaft und Politik zusammenarbeiten, um Wissen und Innovationen hervorzubringen. Um konkrete Ansatzpunkte für die Stärkung und Weiterentwicklung des Quantencomputing-Ökosystems zu identifizieren, wurden in der vorliegende Studie 34 international führende Expertinnen und Experten für Quantencomputing aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik interviewt."
KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen
Bundesministerium für Umwelt und Klimaschutz
Zukunft – Umwelt – Gesellschaft gGmbH, Berlin – Fachgebiet Nachhaltige Digitalisierung und KI
"Künstliche Intelligenz (KI) hat das Potenzial, in zahlreichen Einsatzgebieten zum Klima- und Umweltschutz beizutragen. Die Förderinitiative unterstützt Projekte, die ihr digitales Know-how und ihre Kreativität nutzen, um ökologische Herausforderungen zu bewältigen.
Die Förderinitiative KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen ist ein Beitrag zur Umsetzung der KI-Strategie der Bundesregierung. Sie verfolgt das Ziel, Deutschland und Europa zu einem führenden Standort für KI-Technologien zu machen und eine verantwortungsvolle und gemeinwohlorientierte Entwicklung und Nutzung von KI voranzubringen. Gefördert werden KI-Anwendungen, die den Nutzen von KI-Innovationen für Umwelt-, Klima- und Naturschutz als konkrete und übertragbare Beispiele aufzeigen. Als Leuchttürme sollen diese Projekte beispielgebend sein für eine umwelt- und klimagerechte Digitalisierung."
Dr. Johannes Buchner, Referent für Data Engineering, Data Science und Machine Learning
Aus technischen Gründen ist das Ende der Aufzeichnung im Ton etwas gestört. Wir bitten, das zu entschuldigen.
"ReCircE hat zum Ziel, eine digitale „Lebenszyklusakte“ zu entwickeln, um die Transparenz der Produktlebenszyklen zu erhöhen und so die Kreislaufwirtschaft zu verbessern. Die Cloud-basierte Lebenszyklusakte teilt Informationen mit Produzenten und Entsorgern, um mit den gesammelten Daten eine recycling-freundlichere Produktentwicklung zu unterstützen. Zudem kombiniert ein KI-System die Daten der Lebenszyklusakte mit den Sensordaten einer hocheffizienten Sortieranlage und verbessert so die Präzision und Effizienz des Sortiervorgangs. Dadurch sind geringere Ausschussmengen und höhere Produktqualitäten zu erwarten. Zudem wird ein Ressourceneffizienz-Tool entwickelt, das unterschiedliche Varianten von Produktgestaltung, Wertschöpfungsketten und Recyclingverfahren miteinander vergleicht und unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten optimiert."
"Der Green-AI Hub Mittelstand ist Wegbereiter für die Nutzung von KI für Ressourceneffizienz und Materialeinsparung. Er richtet sich speziell an KMU: praxisnah, lösungsorientiert und direkt vor Ort. Für ein nachhaltiges Wirtschaftswachstum, die Zukunftssicherung des Mittelstands und die Umwelt, in der wir leben."
Deep Tech Use Cases für die Circular Economy: Building Information Modelling (BIM) für die Infrastruktur - ungelöste Fragen
Michael Falk Müller, Head of BIM Infrastruktur Berlin, Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH &
Anna Hoffmann, Transformations- und Zukunftsstrategie
Michael Falk Müller
BIM für die Circular Economy - Ein interdisziplinärer Vortrag
mit Beiträgen von:
Paul Musenbrock, Leuphana Universität, Lehrstuhl Prof. Braungart, Lüneburg
Anna Hoffmann, Transformations- und Zukunftsstrategie, Berlin und Hamburg
Michael Falk Müller, Head of BIM Infrastruktur Berlin, Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH
Ergebnisse der Cradle to Cradle-Modellregion Nordost-Niedersachsen
Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen in Zusammenarbeit mit dem Bundesinstitut für Bau -, Stadt -und Raumforschung
Paul Musenbrock, Leuphana Universität, Lehrstuhl Prof. Braungart, Lüneburg
CONNECT CIRCULAR e.V.
"Gemeinsam mit den Landkreisen Lüchow-Dannenberg und Lüneburg, mit den Universitäten Leuphana Lüneburg und TU Hamburg-Harburg, setzen die Gründer des Vereins CONNECT CIRCULAR die Arbeit der Modellregion cradle to cradle Nord Ost Niedersachsen fort. CONNECT CIRCULAR e.V. versteht sich dabei als offene Plattform für die Vernetzung und Entwicklung von cradle to cradle Themen und Projekten in Wirtschaft, Forschung, Lehre und Verwaltung.
CONNECT CIRCULAR e.V. sieht sich als eine Initiative für Zukunftsfähigkeit durch Nachhaltigkeit - in Wirtschaft, Forschung, Lehre und in der Verwaltung - in Lüchow-Dannenberg, Niedersachsen, Deutschland und Europa. Der Verein strebt eine engere Verzahnung von Markt und Innovation, eine effektive Unterstützung von innovativen Unternehmen und Gründern für Nachhaltigkeit in Produktentwicklung und Produktion an. Dabei ist cradle-to-cradle für uns ein richtungsweisender Industriestandard."
Hindernisse auf dem Weg zu Closed Loops in der Circular Economy
Aron Handreke, Geschäftsführer ContainerGrid, München
ContainerGrid bietet eine umfassende digitale Rücknahmeplattform, die den Zugang zu Recyclingmaterialien in industriellen Maßstab sicherstellen soll. Sie erleichtert die Aggregation von Materialflüssen, automatisiert Prozesse für verbesserte Skalierbarkeit und Effizienz und bietet mit der Rückverfolgbarkeit der Recyclingmaterialien über die gesamte Lieferkette hinweg Transparenz.
Innovationen in der Erdbeobachtung: „Haystack: Asset Location trough holistic data approach“
Matthias Sammer, GeoVille, Innsbruck
Satellite-based geo-information solutions
Vortrainierte ML-Modelle für die Erdbeobachtung – Transfer Learning and Meta-Learning
Jan Macdonald, dida, Berlin
Individuelle Machine-Learning-Software für die Prozessautomatisierung
"Beim Pretraining wird ein KI-Modell auf einem großen Datensatz trainiert, um allgemeine Merkmale zu erlernen, die dann für spezifische Aufgaben mit kleineren Datensätzen verfeinert werden können. Dadurch verringert sich die Notwendigkeit, für jeden neuen Anwendungsfall zeitintensive Datensätze zu beschaffen und zu trainieren, was die Kosten der Anwendungsentwicklung senkt. Während vortrainierte Modelle in der Bildverarbeitung und der Verarbeitung natürlicher Sprache weit verbreitet sind, werden sie für Satellitendaten und Erdbeobachtungsanwendungen nur in begrenztem Umfang eingesetzt. Unsere Untersuchung konzentriert sich auf den Vergleich der Fähigkeiten von Transfer-Learning- und Meta-Learning-Ansätzen für das Pretraining von KI-Modellen für Erdbeobachtungsaufgaben, insbesondere für die Klassifizierung von Kulturpflanzen und deren Potenzial, Erkenntnisse über verschiedene geografische Regionen hinweg zu verallgemeinern."
Auf dem Weg zur Circular Economy nach der DKWS: Warum die 9-R Strategien nicht reichen
"Curricular Economy verlangt ein Geschäftsmodel und eine Geschäftsstrategie, die konsequent auf Vernetzung und Partnerschaft ausgerichtet ist. Geschlossene Stoffströme, Closed Loops, in denen die Rohstoffe wieder den Weg in ihre Wiege zurückfinden, können nur gelingen, wenn alle internen und externen Stakeholder mitspielen. Zwar versuchen einige Unternehmen, ihren Kreislauf möglichst klein zu halten, indem sie vor allem ihre eigenen Produkte (und Rohstoffe) zu sich zurückholen und neu in den Verkehr bringen wollen. Doch das ist in der Summe zu kurz gedacht. Geschlossene Stoffströme mit ausreichenden (Primär-)Rohstoffen wird es nur geben können, wenn es zu neuen Kooperationen und echten Partnerschaften kommt, die neue Synergien hervorbringen. Circular Economy ist ein Teamsport, bei dem das Einzelkämpfertum keinen nachhaltigen Erfolg verspricht."
Anna Hoffmann, Transformations- und Zukunftsstrategie, Berlin & Hamburg
"Innovations- und Transformationspotentiale für die zirkuläre Wirtschaft heben: Innovationen für die Circular Economy durch modernes Quantencomputing"
Veröffentlichungen in "Lecture Notes in Informatics:
INFORMATIK 2024 - Lock in or log out? Wie digitale Souveränität gelingt"
M. Klein, D. Krupka, C. Winter., M. Gergeleit, L. Martin (Hrsg.): Gesellschaft für Informatik, Bonn 2024
"Die aktuellen Entwicklungen im Quantencomputing bieten durch hybride, quanten-klassische Algorithmen und die Neuentwicklung von Hardware innovative Optionen für die Transformation zum zirkulären Wirtschaften, wie sie im Entwurf zu einer Nationalen Kreislaufwirtschaftsstrategie im Juni 2024 vorgestellt wurden. Die Transformation zum zirkulären Wirtschaften stellt die Gesellschaft vor besondere Herausforderungen, die nur durch nachhaltige Kooperation und ein neues Zukunftsdenken zu bewältigen sind. Die Bedingungen für echte Durchbrüche liegen im Raum der „Unknown Unknowns“, dem Ort maximaler Ungewissheit. Die neuen Formen des zirkulären Wirtschaftens bieten vielfältige Möglichkeiten der Mitgestaltung, die Spielarten von Deep Tech sind für diesen Kontext noch nicht ausreichend ausgelotet. Mehr Zusammenarbeit in der Wissenschaftscommunity und weniger Wettbewerb sind erforderlich."
DOI: 10.18420/inf2024_115
Ergänzende Links, Videos und Blogbeiträge
Carl Friedrich von Weizsäcker-Kolloquium vom 11. Juli 2024:
"Machine Learning meets Quantum Mechanics" mit Prof. Dr. Roberto Giuntini, University of Cagliari und Technical University of Munich
Als zentrales Ergebnis des Verbundforschungsprojekts »SEQUOIA« haben das Fraunhofer IAO und weitere Forschungspartner die Studie »Quantencomputing in der industriellen Applikation« veröffentlicht. Sie bietet einen weitreichenden Überblick und zeigt aktuelle Hard- und Softwarerealisierungen inklusive der gängigsten Algorithmen und industrieller Fallstudien (Februar 2023).
Paper "Towards-Requirements-Engineering-for-Quantum-Computing-Applications-in-Manufacturing" aus dem Projekt QUASIM (QC-Enhanced Service Ecosystem for Simulation in Manufacturing): "The major findings point to the need for QC knowledge and best practices for a successful requirements engineering process and elaborate on the main differences between QC application- and software application requirements."
Paper "Quantum-Assisted Solution Paths for the Capacitated Vehicle Routing Problem" aus dem Projekt QuaST (Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen): "Our work outlines the obstacles to quantum-assisted solutions for real-world optimization problems and proposes perspectives on how to overcome them."
"Many relevant problems in industrial settings result in NP-hard optimization problems, such as the Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP) or its reduced variant, the Travelling Salesperson Problem (TSP). Even with today's most powerful classical algorithms, the CVRP is challenging to solve classically. Quantum computing may offer a way to improve the time to solution, although the question remains open as to whether Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices can achieve a practical advantage compared to classical heuristics. The most prominent algorithms proposed to solve combinatorial optimization problems in the NISQ era are the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) and the more general Variational Quantum Eigensolver (VQE). However, implementing them in a way that reliably provides high-quality solutions is challenging."
Blogbeitrag "Digitale Produktdaten und KI als Schlüsseltechnologie für die Kreislaufwirtschaft" von Dr. Johannes Buchner und Dr. Thorsten Kluß von der Z-U-G. Die Z-U-G (Zukunft, Umwelt, Gesellschaft) ist eine Bundesgesellschaft und spezialisierte Projektträgerin für alle Themen rund um den Schutz von Umwelt, Natur und Klima.
Blogbeitrag der Cradle2Cradle NGO Berlin: "RESSOURCE FÜR KREISLÄUFE STATT MÜLL FÜR DIE EWIGKEIT: KUNSTSTOFF NACH CRADLE TO CRADLE" zum C2C-Event am 24. Juni in Berlin
Magazinbeitrag des DIN-Instituts 1/2024: "Von Quantencomputern und Sensoren. Ein Quantensprung in die Zukunft: Forschungs- und Anwendungsbereiche"