Leichtbau-Optimierung mit Quantum Annealing

Eine der zentralen industriellen und ökologischen Herausforderungen ist heutzutage die Entwicklung von leichteren Bauteilen, ohne ihre Festigkeit zu verlieren. Dieses Projekt verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem Quantencomputer zur Optimierung von Leichtbaukonstruktionen eingesetzt werden. In vielen Disziplinen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau oder dem Maschinenbau gibt es die ständige Bestrebung, Bauteile leichter zu machen, ohne dass deren Festigkeit oder Funktionalität beeinträchtigt werden. Leichtere Konstruktionen sparen Material, Energie und schonen die Umwelt. Genau diese ideale Balance zwischen geringem Gewicht und hoher Leistungsfähigkeit ist das Ziel der Leichtbauoptimierung (LBO). Die Suche nach dem optimalen Design im Leichtbau ist jedoch äußerst komplex. Selbst computergestützte Optimierungsmethoden müssen unzählige mögliche Konfigurationen prüfen und vergleichen, die sich aus verschiedenen Formen oder einer bestimmten Materialwahl ergeben können. Dies erfordert enorme Rechenleistung und führt trotzdem häufig nur zu Lösungen, die lediglich suboptimal sind. Hier stoßen herkömmliche Computer an ihre Grenzen, da sie den extrem großen Lösungsraum möglicher Designs nicht effizient erkunden können. Um dieses Problem zu lösen, verfolgt unser Forschungsprojekt einen völlig neuen Ansatz: den Einsatz von Quantencomputing, insbesondere von Quantum Annealing (QA). Im Gegensatz zu klassischen Computern kann ein Quantencomputer quantenmechanische Effekte nutzen, um viele Lösungsmöglichkeiten gleichzeitig zu prüfen und innerhalb kurzer Zeit die insgesamt beste Lösung zu finden. So können Ingenieurinnen und Ingenieure schneller und mit weniger Rechenaufwand bessere Designs entwickeln. Um die Vorteile von QA für die LBO zu nutzen, untersucht das Projekt, wie sich Designprobleme in technischen Anwendungen wie dem Leichtbau so formulieren lassen, dass sie effizient auf Quantencomputern gelöst werden können. Dazu wird die Optimierungsaufgabe in eine mathematische Form überführt, die für die derzeit verfügbare Quantenhardware geeignet ist. Da sich QA noch in einem frühen technologischen Stadium befindet, werden zudem Strategien entwickelt, um aktuelle Einschränkungen der Hardware zu überwinden, etwa deren begrenzte Robustheit oder Einschränkungen hinsichtlich Größe und Komplexität der lösbaren Probleme. Die Innovation des Projekts besteht darin, die physikalischen Prinzipien der Strukturmechanik mit modernen computergestützten Verfahren wie QA zu verbinden. Durch diese neuartige Formulierung kann das optimale Leichtbau-Design direkt identifiziert werden, ohne auf traditionelle, zeitaufwendige Verfahren angewiesen zu sein, die den Designraum nur schrittweise erkunden können. Langfristig kann dieses Forschungsprojekt somit den Weg zu einer neuen Generation des computergestützten Designs ebnen, nämlich die Konstruktion von leichteren, leistungsstärkeren und nachhaltigeren Bauteilen mithilfe der besonderen Möglichkeiten des Quantencomputings.