Quanten-Annealing in einem Proof of Technology
Pfizer Freiburg testet im Bereich Produktionsplanung
Quantencomputing wird als revolutionäre Zukunftstechnologie gehandelt, für viele Unternehmen ist die Technologie aber noch Zukunftsmusik. Im Pfizer Produktionswerk wurde zur Optimierung der Produktionsplanung jetzt erstmals die Quantum-Annealing-Technologie eingesetzt und mit klassischen Optimierungsmethoden verglichen. Das Leuchtturmprojekt wurde vom Pfizer Healthcare Hub Freiburg initiiert und geleitet und in Kooperation mit QuantumBasel und D-Wave durchgeführt. Vor kurzem wurde der Proof of Technology erbracht – das Ergebnis ist vielversprechend.
“Science will win and Digital will help us to win faster*”
Seit der Installation des ersten IBM Quantum Computers in Deutschland im Juni 2021 hat sich in Baden-Württemberg ein dynamisches Ökosystem entwickelt, wodurch das Land seine führende Position im Quantencomputing ausbauen konnte.
Im Oktober 2023 haben wir mit Thomas Kleine, damaliger County Digital Lead bei Pfizer darüber gesprochen, welches Potenzial die Quantentechnologie für die Gesundheitsindustrie bietet:
„Quantencomputing zahlt zu 100 Prozent auf unsere Core Principles “Science will win” und “Time is life” ein. Wir wollen mutig vorangehen und neue Möglichkeiten explorieren. Unsere Mission ist es, das Leben von Patient:innen weltweit zu verbessern. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, müssen wir immer auf dem neuesten Stand der Innovation sein.“
Der Pfizer Healthcare Hub bringt innovative Technologien bei Pfizer zum Einsatz
Der Pfizer Healthcare Hub ist einer der Innovationstreiber von Pfizer: In Freiburg matchen Peter Neske, Pembe Gül Bilir und Oana Elena Stürz zusammen mit den Innovator:innen der Fachabteilungen konkrete Use Cases aus dem Pfizer-Kosmos mit innovativen Technologien externer Kooperationspartner:innen.
„Seit der Gründung des Pfizer Healthcare Hubs Freiburg 2018 stellen wir dem Innovations-Ökosystem unsere Erfahrung und Unterstützung zur Verfügung, gehen in den Dialog mit Start-ups und Unternehmen, sind im permanenten Austausch mit Acceleratoren und Wirtschaftsförder:innen”, so Peter Neske, Innovation Lead des Pfizer Healthcare Hubs Freiburg.
Pfizers Innovationswille brachte Neske mit einer konkreten Fragestellung aus der Materialwirtschaft zusammen. Das Team erweiterte er um zwei erfahrene Akteure aus dem Innovations-Ökosystem: QuantumBasel, das Kompetenzzentrum für Quantentechnologie aus der Region Basel, das als strategischer Partner Unternehmen bei der Anwendung von Quantentechnologien unterstützt, und D-Wave, den Technologiepartner von QuantumBasel, der die Quantum-Annealing-Technologie anbietet.
„Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht, die Lücke zwischen Quantentechnologie und realen Anwendungen in der Industrie zu schließen. Durch die Bereitstellung von Quantencomputern für konkrete Anwendungsfälle unterstützen wir Unternehmen dabei, ihr Innovations- und Effizienzpotenzial zu maximieren", so Damir Bogdan, CEO von QuantumBasel.
Der Quantum-Annealing-Ansatz zur Prozessoptimierung
„Wie können wir die Produktionsplanung im Freiburger Werk optimieren und dadurch die Prozesse effizienter gestalten?”
Diese zentrale Frage stand im Mittelpunkt des kürzlich abgeschlossenen Proof of Technology. Die hochkomplexe Produktionsplanung bietet durch die schnelle Entwicklung von Rechenleistungen stets Potenzial für Optimierungen. Ein ideales Anwendungsfeld für die Quantentechnologie:
„Annealing-Quantencomputing nutzt Quanteneffekte, um Berechnungen zu beschleunigen und bietet die Möglichkeit, komplexe Optimierungsaufgaben in einem Bruchteil der Zeit zu lösen, die ein klassischer Solver benötigen würde”, so Murray Thom, Vice President of Quantum Technology Evangelism bei D-Wave. „Im Freiburger Produktionswerk konnten wir dahingehend erhebliche Einsparungen erzielen.”
Proof of Technology: Wie performt die Quantum-Annealing-Methode im Vergleich?
Unter der Projektleiterin Pembe Gül Bilir und in Zusammenarbeit mit D-Wave und QuantumBasel entwickelte das Pfizer-Team die mit quantenoptimierte Methode.
„Unser Ziel war es, die Quantum-Annealing-Technologie in einem realen Anwendungsfall der Produktionsplanung zu bewerten. Dabei wollten wir die Methode nicht nur isoliert betrachten, sondern auch Alternativen testen und vergleichen. Wir konzentrierten uns besonders darauf, welches Vorgehen den maximalen Nutzen für die Produktion bei akzeptablen Kosten bietet", so David Rüde, Site Transformation Lead bei Pfizer.
So entwickelte das High Performance Computing Team im globalen Center Digital Innovation in Thessaloniki die klassische mathematische Optimierungsmethode. Beide Methoden wurden anhand der Kriterien Berechnungszeit, Planungszeit, Fertigstellung und Produktionskapazität mit der Ausgangssituation verglichen.
Die Quanten-Annealing-Methode liefert in vergleichsweise kurzer Berechnungszeit einen optimierten Produktionsplan
Das Ergebnis bestätigte die Erwartungen: Die Ausgangssituation konnte mit beiden Methoden optimiert werden. Die besten Ergebnisse wurden mit der quantenoptimierten Methode erreicht. Der Algorithmus lieferte nach einer vergleichsweise kurzen Berechnungszeit einen optimierten Produktionsplan, bei dem der Produktionszyklus signifikant reduziert werden konnte, ohne die pünktliche Bereitstellung der Produkte zu gefährden.
„Quantum Annealing kann insbesondere bei der Verarbeitung größerer und komplexer Datensätze gegenüber ausschließlich klassischen Methoden erhebliche Vorteile bieten. Mit diesem Use Case nimmt Pfizer eine Vorreiterrolle ein”, so Gavin Kennedy, CEO von D-Wave.
Zu erwarten ist außerdem, dass sich die quantenoptimierte Methode bei größeren und komplexeren Datensätzen noch deutlicher von klassischen Methoden absetzen wird.
„In diesem Proof of Technology konnten wir innerhalb von wenigen Monaten mit einem interdisziplinären, globalen Team aussagekräftige Ergebnisse und wichtige Erkenntnisse über den Einsatz von Quantentechnologien generieren. Das Projekt zeigt, dass es sich lohnt, sich frühzeitig mit den Einsatzmöglichkeiten von Zukunftstechnologien wie beispielsweise Quantencomputing, auseinanderzusetzen. Durch den Einsatz solcher innovativer Technologien die Versorgung unserer Patient:innen mit lebenswichtigen Medikamenten besser und schneller ausbauen. Gleichzeitig kann ein maximaler Business Impact entstehen, der unsere Wettbewerbsfähigkeit weiter stärkt“, so Pembe Gül Bilir.
... und wie gehts weiter?
Im Use Case Produktionsplanung ist der nächste Schritt, sowohl die klassische als auch die Quantum-Annealing-Methode weiterzuentwickeln und mit größeren und komplexeren Datensätzen zu testen.
Darüber hinaus hat das D-Wave-Team die Quanten-Annealing-Methode kürzlich interessierten Pfizer-Fachabteilungen vorgestellt.
Im Rennen um den technologischen Fortschritt ganz vorne
Die Quantentechnologie, die am Innovationshorizont in weiter Ferne stand, wird greifbar: Mit dem erfolgreichen Proof of Technology hat Pfizer den ersten Schritt mit einer Zukunftstechnologie gemacht, die nicht nur für die Optimierung der Produktionsplanung, sondern auch in vielen anderen Anwendungsbereichen innerhalb von Pfizer, in der Gesundheitsindustrie und in allen produzierenden Unternehmen Potenzial bietet.
*“Science will win and Digital will help us to win faster” so Mikael Dolsten, Globaler Leiter Pfizer Research & Development.