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Den Stau wegrechnen

Die Nutzung von Quantencomputern soll den Straßenverkehr effizienter und klimafreundlicher machen. Künftig sollen damit bessere Optimierungssysteme etwa für Rufbusse möglich werden. Aber auch Seeschiffe könnten mit der neuen Rechnergeneration effizienter fahren.


Kryogenischer Aufbau und Ansteuerung eines supraleitenden Quantencomputers - gold-, messing- und silberfarbene Leitungen, Schlingen und Röhrchen in einem zylinderförmigen metallischen Aufbau.
Quantencomputer wie dieser am Forschungszentrum Jülich gelten als Hoffnungsträger für Big Data und Künstliche Intelligenz. (Foto: Sascha Kreklau/​FZ Jülich)

Ein Bus, der den nächsten Stau frühzeitig erkennt? Und der dem Fahrer dann eine neue Route empfiehlt, damit er ihn umfahren kann und die Fahrgäste auch in Stoßzeiten fast pünktlich ankommen? Unglaublich, werden die meisten Busnutzer sagen, die Rushhour-erfahren sind.

Doch so etwas ist möglich. Vor drei Jahren hat der Autokonzern VW ein Pilotprojekt dazu durchgeführt – während einer Technologiekonferenz in Lissabon. Um die Besucher der Konferenz möglichst effizient zum Veranstaltungsort zu bringen, rüstete der Konzern Busse der Stadt mit einem selbst entwickelten System zur Verkehrsoptimierung aus.

"Die Fahrzeuge sind pünktlich an jedem Haltepunkt eingetroffen, ohne Zeit im Stau zu vergeuden", berichtet Florian Neukart, der das Projekt damals bei VW geleitet hat, und heute beim schweizerischen Start-up Terra Quantum AG arbeitet.

Es war eine Premiere: Das weltweit erste Pilotprojekt zur Verkehrsoptimierung, das auf einem Supercomputer mit besonders hoher Rechenleistung basierte – einem Quantencomputer. Das System berechnete nahezu in Echtzeit die schnellste Route für jeden der neun Busse, die damals angebunden waren. Anders als herkömmliche Navigationsdienste wies der benutzte Quanten-Algorithmus jedem Bus eine individuelle Route zu.

Berücksichtigt wurde das (anonym erfasste) Fahrgastaufkommen an den Haltestellen und per Bewegungsstromdaten die Verkehrsdichte, wobei sogar schon erst noch im Entstehen befindliche Staus detektiert wurden. Inzwischen interessieren sich auch mehrere öffentliche Verkehrsunternehmen für das neue System.

VW will System marktreif machen

Für normale Buslinien eignet sich das System allerdings nicht. Ein Verkehrsunternehmen muss jedem Fahrgast die Mitnahme garantieren, auch wenn seine Haltestelle sich an einer Straße mit Stau befindet – eine Umfahrung ist dann unmöglich.

Aber es gibt durchaus Einsatzmöglichkeiten. Zum Beispiel, um den "Bedarfsverkehr" zu optimieren, wie Verkehrsunternehmen ihn in Randzeiten oder auf gering ausgelasteten Verbindungen anbieten. Anruf-Sammeltaxis oder Rufbusse zum Beispiel.

"Diese Angebote werden mit Blick auf die Verkehrswende immer wichtiger", sagt Wolfgang Mergenthaler vom Beratungsbüro Frankfurt Consulting Engineers in Frankfurt am Main. Das gelte etwa, wenn das Umsteigen vom Auto in den öffentlichen Verkehr auch auf dem Land attraktiv gemacht werden soll. Die Berechnung der Linienführung durch Quantencomputer könne Fahrzeiten kurz halten und den Einsatz der Fahrzeuge optimieren.

Ein anderer Anwendungsfall: wenn Verkehrsbetriebe ihren Taktverkehr etwa bei Großereignissen im Stadtgebiet mit temporären Busverbindungen ergänzen. Diese können dann die Haltestelle mit dem höchsten Fahrgastaufkommen zusätzlich bedienen und die Fahrgäste besonders schnell ans Ziel bringen.

Volkswagen hat angekündigt, sein System zur Verkehrsoptimierung zur Marktreife weiterentwickeln zu wollen. Dabei sollen weitere Variablen integriert werden wie städtische Verkehrsleitsysteme, verfügbare E-Ladesäulen oder freie Parkflächen. Die Entwickler haben das System so angelegt, dass es auf jede beliebige Stadt und für Fahrzeugflotten jeder Größe anwendbar ist. Weitere Pilotprojekte sind in Planung.

"Unternehmen und Gesellschaft profitieren"

Wieso bei solchen Aufgaben die üblichen Digitalrechner nicht ausreichen, verdeutlicht das "Travelling Salesman Problem", wie IT-Spezialist Manfred Rieck von der Deutschen Bahn auf einer Konferenz des "Cluster Mobility" im Frankfurter House of Logistics and Mobility (Holm) erläuterte. Dabei geht es um die Planung einer kurzen Reise eines Geschäftsmanns, bei der alle Orte nur einmal besucht werden und die erste Station auch die letzte sein soll.

Bei fünf Städten ergeben sich zwölf Routen, die gefahren werden können. Die Rechenzeit für alle Varianten: zwölf Nanosekunden. Bei zehn Städten gibt es schon 181.440 mögliche Routen. Rechenzeit hier: 0,00018 Sekunden, also 15.000-mal länger.

Bei 20 Städten sind es dann 60 Billiarden Routen, für die ein Digitalrechner Rieck zufolge zwei Jahre Rechenzeit benötigen würde. "Hier Digitalrechner einzusetzen, macht keinen Sinn, erst recht nicht, wenn es statt um 20 Städte um 154 ICE-Bahnhöfe mit 289 ICEs geht."

Doch nicht nur der Verkehr in den Städten und auf dem Land könnte von der Nutzung der Quantencomputer profitieren. "Einsatzfelder gibt es auch in der Seeschifffahrt und im Luftverkehr, in der Logistik generell sowie bei der Entwicklung neuer Batterien für Elektroautos", berichtet Holm-Manager Jürgen Schultheis.

Die Umsetzung sei zwar komplex, aber es gebe eben auch große Potenziale für mehr Effizienz und mehr Klimaschutz. "Unternehmen und Gesellschaft profitieren", meint Schultheis.

Optimierte Route statt volle Kraft voraus

Das lässt sich am Beispiel des internationalen Seeverkehrs besonders gut zeigen. Es wird geschätzt, dass durch eine per Quantencomputing optimierte Geschwindigkeit der Schiffe bis zu zwölf Prozent des Treibstoffverbrauchs eingespart werden können. Das würde die betriebswirtschaftliche Bilanz der Reedereien deutlich verbessern, aber auch die Umwelt- und CO2-Bilanz des Sektors.

Pro Jahr verbrennen Seeschiffe im internationalen Verkehr bis zu 330 Millionen Tonnen Schweröl, ein Kraftstoff, der besonders umweltschädlich ist. Es handelt sich um Rückstandsöle mit hohem Gehalt an Schwefel und anderen Schadstoffen, die Abgase enthalten Schwefel- und Stickoxide sowie Ruß und Feinstaub.

Quantencomputer

Quantencomputer können Rechenoperationen deutlich schneller ausführen als herkömmliche Computer. Sie arbeiten simultan, bearbeiten also die möglichen Lösungen eines Problems gleichzeitig, während klassische Rechner eine Aufgabe nach der anderen ausführen und dadurch mehr Rechenzeit benötigen. Quantencomputer verarbeiten Information, die in Form von "Qubits" (Quantenbits) vorliegen, die viel mehr Information gleichzeitig repräsentieren als die üblichen Bits. In jeder einzelnen Rechenoperation werden dadurch mehr Daten verarbeitet.

 

Den Durchbruch in der Technologie erwarten Fachleute, wenn eine Rechenleistung von 1.000 Qubits erreicht wird, was in drei bis fünf Jahren zu erwarten sei. Vorreiter in der Technologie sind die USA und China, wo private Investoren respektive der Staat umfangreiche Finanzmittel bereitstellen. Unternehmen wie Google, IBM, Microsoft betreiben die Entwicklung der ersten kommerziellen Quantencomputer.

 

In Deutschland wurde der erste Quantenrechner 2021 von IBM eingeweiht. Zudem wird in öffentlich geförderten Forschungsprojekten wie "Quantum Flagship" und "Quasar" daran gearbeitet, die Technologie anwendungsreif zu machen.

Die Klimabilanz ist ebenfalls kritisch. Pro Tag kann ein Container-Gigant von 400 Metern Länge, wie er heute üblich ist, einige hundert Tonnen CO2 ausstoßen.

Der Hamburger Berater Matthias Imrecke, selbst Nautiker und Kapitän mit viel Erfahrung auf der Fernost-Route von Europa nach Asien, ist einer der Initiatoren des weltweit ersten Projekts zu dem Thema: Es soll ein Quantencomputing-Algorithmus entwickelt werden, der Schiffsrouten und Fahrzeiten laufend optimiert, damit die Transporte just in time am nächsten Ziel ankommen.

Imrecke weiß aus Erfahrung: "Heute fahren Kapitäne oft volle Kraft voraus zum nächsten Hafen, um dann festzustellen, dass sie ihre Ladung erst zwei, drei Tage später löschen können. Das hohe Tempo kostet enorm viel Treibstoff." Ein laufender automatisierter Abgleich, auch während das Schiff unterwegs ist, brächte deutliche Einsparungen.

Damit wäre auch das Ziel der klimaneutralen Schifffahrt einfacher zu erreichen. Es würde zukünftig weniger "grüner" Treibstoff, wie Wasserstoff, Ammoniak oder Methanol gebraucht, alles bisher noch absolute Mangelware.

Die Entwicklung des Algorithmus, mit dem die Einspareffekte erzielt werden können, steht freilich noch ziemlich am Anfang. Imrecke schätzt: Die Optimierung von kürzeren Routen, etwa Hamburg–London, wird 2023 möglich sein, die von Fernrouten 2025.

Immerhin haben eine große Reederei und eine Fährlinie inzwischen Interesse an dem Projekt. Imrecke: "Deutschland wäre mit dieser Anwendung des Quantencomputings Weltspitze."

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