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DE102021203536B3 - Method for optimizing an arrangement of machine parts using quantum computing - Google Patents

Method for optimizing an arrangement of machine parts using quantum computing Download PDF

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DE102021203536B3
DE102021203536B3 DE102021203536.1A DE102021203536A DE102021203536B3 DE 102021203536 B3 DE102021203536 B3 DE 102021203536B3 DE 102021203536 A DE102021203536 A DE 102021203536A DE 102021203536 B3 DE102021203536 B3 DE 102021203536B3
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segment
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machine parts
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disk
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Alexander Roth
Gerhard Niederbrucker
Oliver Schaudt
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ZF Friedrichshafen AG
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    • G06N10/60Quantum algorithms, e.g. based on quantum optimisation, quantum Fourier or Hadamard transforms

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Abstract

Verfahren zum Optimieren einer Anordnung von Maschinenteilen (Disk) mittels Quantencomputing umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Optimierungsfunktion (E0) aus Einträgen der Sammlung von Listen in Abhängigkeit eines Verschiebungsvektors(s→),der eine Umordnung der Messwerte(Aik)der jeweiligen Spalten in einer jeden der Zeilen der Sammlung von Listen beschreibt; Encodieren des Verschiebungsvektors(s→)in ein Quantenregister(|s→〉)mit der ersten Anzahl (Nobjects) an Qudits(|sk〉k),wobei jedes der Qudits eine k-te Umordnung in dem Verschiebungsvektor codiert und die Dimensionalität der Qudits(|sk〉k)kleiner, gleich oder größer der jeweiligen zweiten Anzahl (NSegm) ist (V4); Bereitstellen von Operatoren(A^ik),für die das Quantenregister(|s→〉)jeweils ein Eigenvektor ist; Kombinieren der Operatoren(A^ik)zu einem Hamiltonoperator (H0), dessen Erwartungswert im Quantenregister(|s→〉)gleich dem Wert der Optimierungsfunktion (E0) über dem Verschiebungsvektor(s→)ist (V6).A method for optimizing an arrangement of machine parts (disk) using quantum computing, comprising the steps of: providing an optimization function (E0) from entries in the collection of lists as a function of a displacement vector (s→) that rearranges the measured values (Aik) of the respective columns in a describes each of the rows of the collection of lists; Encode the displacement vector(s→) into a quantum register(|s→〉) with the first number (Nobjects) of qudits(|sk〉k), where each of the qudits encodes a kth rearrangement in the displacement vector and the dimensionality of the qudits (|sk〉k) is less than, equal to or greater than the respective second number (NSegm) (V4); providing operators (A^ik) for each of which the quantum register (|s→〉) is an eigenvector; Combining the operators (A^ik) into a Hamiltonian (H0) whose expected value in the quantum register (|s→〉) is equal to the value of the optimization function (E0) over the displacement vector (s→) (V6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Anordnung von Maschinenteilen mittels Quantencomputing.The invention relates to a method for optimizing an arrangement of machine parts using quantum computing.

Bei der Produktion von Getrieben werden in einem Produktionsschritt Mehrscheibenkupplungen, beispielsweise Lamellenkupplungen, montiert. Die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der resultierenden Kupplung und/oder des Getriebes hängt entscheidend von der Diskrepanz zwischen dem dünnsten und dicksten Längsschnitt der gestapelten Lamellen ab. Aufgabe dabei ist es, die Kupplungsscheiben zu drehen und derart aufeinander zu stapeln, dass diese Diskrepanz minimal ist.In the production of transmissions, multi-plate clutches, such as multi-plate clutches, are assembled in one production step. The performance and longevity of the resulting clutch and/or transmission is critically dependent on the discrepancy between the thinnest and thickest longitudinal section of the stacked discs. The task here is to turn the clutch discs and stack them on top of each other in such a way that this discrepancy is minimal.

Diese Aufgabe wird im bekannten Stand der Technik mit klassischen Prinzipien zur Lösung von Optiinierungsprobleincn gelöst, beispielsweise mit Branch-and-Bound Methoden, die beispielsweise bekannte Knapsack-Probleme lösen. Allerdings werden diese Verfahren mit zunehmenden Kombinationsmöglichkeiten aufgrund Rechenaufwand und limitierter Rechenzeit undurchführbar.In the known prior art, this task is solved with classical principles for solving optimization problems, for example with branch-and-bound methods, which solve known knapsack problems, for example. However, these methods become impracticable with increasing combination possibilities due to computational effort and limited computing time.

Die DE 10 2008 005 227 A1 offenbart eine Lamellenkupplung. Primärseitige und/oder sekundärseitige Lamellen sind bezüglich ihrer Ebenheitsabweichungen jeweils so zueinander ausgerichtet, das heißt in Umfangsrichtung derart verdreht zueinander angeordnet, dass zumindest die Ebenheitsabweichungen benachbarter Lamellen in axialer Richtung nicht aufeindner treffen.the DE 10 2008 005 227 A1 discloses a multi-plate clutch. Primary-side and/or secondary-side slats are aligned with respect to each other with respect to their flatness deviations, ie arranged rotated relative to one another in the circumferential direction such that at least the flatness deviations of adjacent slats do not meet in the axial direction.

Die DE 10 2009 048 620 A1 offenbart ein Verfahren zur Ausrichtung der Position einer Mehrzahl von Reiblamellen zueinander, wobei die Reiblamellen ein Reiblamellenpaket einer Reibungskupplung, insbesondere einer Mehrscheibenreibungskupplung, bilden. Erfindungsgemäß wird an mehreren Positionen der Reibflächen der Reiblamellen eine Dicke einer jeden Reiblamelle ermittelt, wobei als Positionen Zahnpositionen eines jeden Zahns der Reiblamelle oder Zahnpositionen von zu paarenden Reiblamellen vorgegeben werden und anhand der emrittelten Dicke/n die jeweilige Reiblamelle ode Paare von Reiblamellen ausgerichtet wird bzw. werden.the DE 10 2009 048 620 A1 discloses a method for aligning the position of a plurality of friction plates relative to one another, the friction plates forming a friction plate set of a friction clutch, in particular a multi-disk friction clutch. According to the invention, a thickness of each friction plate is determined at several positions of the friction surfaces of the friction plates, with tooth positions of each tooth of the friction plate or tooth positions of friction plates to be paired being specified as positions and the respective friction plate or pairs of friction plates being aligned or . will.

Die DE 10 2018 109 587 A1 geht aus von einem Verfahren zur Erstellung wenigstens eines Kupplungslamellenpakets, insbesondere für eine Doppelkupplung, aufweisend wenigstens eine Kuppliungslamelleneinheit, welche dazu vorgesehen ist, zumindest dreit Kupplungslamellen zu umfassen. Es wird offenbart, in zumindest einem Verfahrensschritt eine rechnerische Anordnung und/oder Auswahl aller für die Kupplungslamellcncinhcit vorgesehenen Kupplungslamellen unter Berücksichtigung zumindest einer Extremalbedingung zumindest einer Kupplungslamelleneinheitskenngröße der Kupplungslamelleneinheit durchzuführen.the DE 10 2018 109 587 A1 is based on a method for creating at least one clutch disk pack, in particular for a double clutch, having at least one clutch disk unit, which is intended to include at least three clutch disks. It is disclosed that, in at least one method step, a mathematical arrangement and/or selection of all clutch plates provided for the clutch plate unit is carried out, taking into account at least one extreme condition of at least one clutch plate unit parameter of the clutch plate unit.

Die US 7,877,333 B2 offenbart ein Verfahren zur Lösung von Optimierungsproblemen mittels Quantencomputing.the U.S. 7,877,333 B2 discloses a method for solving optimization problems using quantum computing.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, wie auf klassischen Computern basierende Lösungen zu kombinatorische Anordnungsproblemen auf einen Hamiltonoperator, der für Quantencomputing verwendet werden kann, übertragen werden können.The invention was based on the object of how solutions to combinatorial arrangement problems based on classical computers can be transferred to a Hamilton operator that can be used for quantum computing.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 löst diese Aufgabe.The subject matter of claim 1 solves this problem.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Anordnung von Maschinenteilen mittels Quantencomputing. Das Verfahren umfasst die Schritte

  • • Bereitstellen einer ersten Anzahl der Maschinenteile für ein Maschinenelement;
  • • Unterteilen jedes der Maschinenteile jeweils in eine zweite, für das jeweilige Maschinenteil spezifische Anzahl von Abschnitten und Einlesen von jeweils einem Messwert in den jeweiligen Abschnitten unter Verwendung eines Sensors in eine Sammlung von Listen mit der ersten Anzahl an Reihen und den zweiten Anzahlen an Spalten;
  • • Bereitstellen einer Optimierungsfunktion aus Einträgen der Sammlung von Listen in Abhängigkeit eines Verschiebungsvektors, der eine Umordnung der Messwerte der jeweiligen Spalten in einer jeden der Zeilen der Sammlung von Listen beschreibt, wobei ein zu berechnender Verschiebungsvektor, durch dessen Umordnung eine Diskrepanz der Messwerte in den jeweiligen Abschnitten der Maschinenteile minimiert wird, die Optimierungsfunktion minimiert;
  • • Encodieren des Verschiebungsvektors in ein Quantenregister mit der ersten Anzahl an Qudits, wobei jedes der Qudits eine k-te Umordnung in dem Verschiebungsvektor codiert und die Dimensionalität der Qudits kleiner, gleich oder größer der jeweiligen zweiten Anzahl ist;
  • • Bereitstellen von Operatoren, für die das Quantenregister jeweils ein Eigenvektor ist und ein Eigenwert eines der Operatoren jeweils ein von den Messwerten, umfassend die Messwerte mehrerer Abschnitte oder Maschinenteile, berechneter Wert ist;
  • • Kombinieren der Operatoren zu einem Hamiltonoperator, dessen Erwartungswert im Quantenregister gleich dem Wert der Optimierungsfunktion über dem Verschiebungsvektor ist;
  • • Berechnen eines Zustandes des Hamiltonoperators mittels eines Quantencomputing-Hardwaremoduls, eines von Quantencomputing inspirierten klassischen Hardwaremoduls oder eines von Quantencomputing inspirierten Hardwaremoduls mit besonderer Zweckbestimmung;
  • • Decodieren zumindest von Teilen des berechneten Zustandes in die optimierte Anordnung der Maschinenteile und Auslesen der optimierten Anordnung, um die Maschinenteile entsprechend anzuordnen.
One aspect of the invention relates to a method for optimizing an arrangement of machine parts using quantum computing. The procedure includes the steps
  • • providing a first number of machine parts for a machine element;
  • • dividing each of the machine parts into a second number of sections specific to the respective machine part and reading a measurement value in each of the respective sections using a sensor into a collection of lists with the first number of rows and the second number of columns;
  • • Providing an optimization function from entries in the collection of lists as a function of a displacement vector that describes a rearrangement of the measured values of the respective columns in each of the rows of the collection of lists, with a displacement vector to be calculated whose rearrangement causes a discrepancy in the measured values in the respective sections of the machine parts is minimized, the optimization function is minimized;
  • • encoding the displacement vector into a quantum register with the first number of qudits, each of the qudits encoding a kth rearrangement in the displacement vector and the dimensionality of the qudits being less than, equal to or greater than the respective second number;
  • • providing operators for each of which the quantum register is an eigenvector and an eigenvalue of each of the operators is a value calculated from the measured values comprising the measured values of a plurality of sections or machine parts;
  • • Combining the operators into a Hamiltonian whose expectation value in the quantum register is equal to the value of the optimization function over the displacement vector;
  • • Compute a state of the Hamiltonian using a quantum computing hardware module, a quantum computing inspired classical hardware module, or a quantum computing inspired special purpose hardware module;
  • • Decoding at least parts of the calculated state into the optimized arrangement of the machine parts and reading out the optimized arrangement in order to arrange the machine parts accordingly.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein Computerprogramm zum Optimieren einer Anordnung von Maschinenteilen mittels Quantencomputing. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass ein Quantencomputing-Hardwaremodul, ein von Quantencomputing inspiriertes klassisches Hardwaremodul oder ein von Quantencomputing inspiriertes Hardwaremodul mit besonderer Zweckbestimmung die Schritte eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem dieser Hardwaremodule läuft.Within the scope of the invention is a computer program for optimizing an arrangement of machine parts using quantum computing. The computer program comprises instructions that cause a quantum computing hardware module, a quantum computing inspired classical hardware module or a quantum computing inspired special purpose hardware module to carry out the steps of a method according to any one of the preceding claims when the computer program runs on one of these hardware modules.

Im Rahmen der Erfindung liegen ein computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, und ein Datenträgersignal, das das Computerprogramm repräsentiert. Beispielsweise wird das Computerprogramm mittels des Datenträgersignals auf Quantencomputing-Hardwaremodule übertragen. Nach einem Aspekt der Erfindung überträgt das Datenträgersignal das Computerprogramm auf ein Remote-Quantencomputing-Hardwaremodul.Within the scope of the invention are a computer-readable data carrier on which the computer program is stored and a data carrier signal that represents the computer program. For example, the computer program is transferred to quantum computing hardware modules using the data carrier signal. According to one aspect of the invention, the data carrier signal transfers the computer program to a remote quantum computing hardware module.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Advantageous refinements of the invention result from the definitions, the dependent claims, the drawings and the description of preferred exemplary embodiments.

Die Maschinenteile sind beispielsweise Kupplungsscheiben. Das Maschinenelement ist beispielsweise eine Kupplung. Die Kupplungsscheiben werden gestapelt angeordnet. Diese Anordnung ergibt die Kupplung. Beispielsweise ist die erste Anzahl gleich sieben. Das heißt, dass beispielsweise eine Kupplung sieben Kupplungsscheiben umfasst. Beispielsweise ist die zweite Anzahl gleich 42 für jede Kupplungsscheibe. Erfindungsgemäß kann aber jede Kupplungsscheibe eine unterschiedliche zweite Anzahl an Segmenten haben. Das heißt, dass beispielsweise jede Kupplungsscheibe in 42 Segmente oder in eine für die jeweilige Kupplungsscheibe spezifische zweite Anzahl von Segmenten unterteilt wird. Beispielsweise wird in jedem dieser Segmente je Kupplungsscheiben ein Messwert erhalten, beispielsweise eine Höhe/Dicke des jeweiligen Segments. Diese Messwerte werden dann in eine Matrix mit sieben Zeilen und 42 Spalten eingetragen oder in eine Sammlung von Listen mit sieben Zeilen und einer Zeile spezifischen Anzahl von Spalten.The machine parts are, for example, clutch discs. The machine element is a clutch, for example. The clutch discs are arranged in a stacked manner. This arrangement gives the clutch. For example, the first number is seven. This means that, for example, a clutch includes seven clutch discs. For example, the second number is 42 for each clutch plate. According to the invention, however, each clutch disc can have a different second number of segments. This means that, for example, each clutch disk is subdivided into 42 segments or into a second number of segments specific to the respective clutch disk. For example, a measured value is obtained in each of these segments for each clutch disc, for example a height/thickness of the respective segment. These readings are then entered into a seven-row, 42-column matrix, or a collection of seven-row, row-specific number-of-column lists.

Eine Umordnung, umfassend eine Rotation oder Verschiebung, der Messwerte der jeweiligen Spalten in einer jeden der Zeilen der Matrix oder der Sammlung von Listen entspricht einer Drehung der Maschinenteile.A rearrangement, including a rotation or translation, of the readings of the respective columns in each of the rows of the matrix or collection of lists corresponds to a rotation of the machine parts.

Die Messwerte sind beispielsweise Höhen/Dicken der einzelnen Abschnitte. Beispielsweise werden die Messwerte mit optischen Sensoren gemessen. Nach einem Aspekt werden die Kupplungsscheiben mittels einer Laser-Messmaschine vermessen.The measured values are, for example, heights/thicknesses of the individual sections. For example, the measured values are measured with optical sensors. According to one aspect, the clutch disks are measured using a laser measuring machine.

Die Dimension des Qudits, welches, die k-te Umordnung in dem Verschiebungsvektor kodiert, kann, muss aber nicht, die gleiche Dimensionalität enthalten wie die Anzahl der Segmente NSeg(k) des k-ten Maschinenteils Ak, k ∈ {1,..., Nobjects}.The dimension of the qudit encoding the kth rearrangement in the displacement vector can, but need not, contain the same dimensionality as the number of segments N Seg (k) of the kth machine part A k , k ∈ {1, ..., N objects }.

Nach einem Aspekt der Erfindung ist die Dimension des Qudits größer als die Anzahl NSegm(k), was aus hardwaretechnischen Gründen vorteilhaft sein kann.According to one aspect of the invention, the dimension of the qudit is greater than the number N Segm (k), which can be advantageous for hardware reasons.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Dimension des Qudits kleiner als die Anzahl NSegm(k), um die vorhanden Qubits eines Quantencomputers optimal auszunutzen und nur Teile des Lösungsraums abzusuchen.According to a further aspect of the invention, the dimension of the qudit is smaller than the number N segm (k) in order to optimally utilize the available qubits of a quantum computer and only search parts of the solution space.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Dimension des Qudits gleich der Anzahl NSegm(k), das heißt | s k k , s k { 0, , N Segm ( k ) 1 } .

Figure DE102021203536B3_0012
According to another aspect of the invention, the dimension of the qudit is equal to the number N segm (k), ie | s k k , s k { 0, ... , N segment ( k ) 1 } .
Figure DE102021203536B3_0012

Die Eigenwerte der Operatoren, für die das Quantenregister jeweils ein Eigenvektor ist, können beispielsweise modifizierte Messwerte umfassend Durchschnittsmesswerte sein. Ein modifizierter Messwert ist beispielsweise die modifizierte Segmenthöhe ist Bk, siehe unten.The eigenvalues of the operators for which the quantum register is an eigenvector can be, for example, modified measured values including average measured values. A modified measurement is, for example, the modified segment height is B k , see below.

Nach einem Aspekt der Erfindung ist der Eigenwert eines der Operatoren jeweils genau gleich einem der Messwerte in einem der Abschnitte jeweils eines der Maschinenteile.According to one aspect of the invention, the eigenvalue of one of the operators is exactly equal to one of the measured values in one of the sections of one of the machine parts.

Quantencomputing-Hardwaremodule umfassen Teile von Quantencomputern, die auf dem Quantenschaltkreismodell mit Quantengattern basieren, Einweg-Quantencomputer und adiabatische Quantencomputer.Quantum computing hardware modules include parts of quantum computers based on the quantum circuit model with quantum gates, disposable quantum computers and adiabatic quantum computers.

Quantencomputing inspirierte klassische Hardwaremodule ermöglichen Quantencomputing auf klassischer Hardware, sind aber hinsichtlich Problemen und Größen der Probleme, die mit ihnen lösbar sind, aufgrund von Speicher- und Rechenkapazitäten eingeschränkt, analog zu klassischen Computerarchitekturen.Classical hardware modules inspired by quantum computing enable quantum computing on classical hardware, but are limited in terms of problems and size of the problems that can be solved with them due to memory and computing capacities, analogous to classical computer architectures.

Quantencomputing inspirierte Hardwaremodule mit besonderer Zweckbestimmung, auch Quantum-inspired computing with special-purpose hardware genannt, umfassen beispielsweise an Quantencomputing inspirierte Digital Annealer Prozessoren, die speziell dafür ausgelegt sind, größere und komplexere Optimierungsprobleme zu lösen. Quantencomputing inspirierte Hardwaremodule mit besonderer Zweckbestimmung sind beispielsweise vorteilhaft für Knapsack Probleme.Quantum-inspired computing with special-purpose hardware, for example, includes quantum-inspired digital annealer processors that are specifically designed to solve larger and more complex optimization problems. For example, special purpose hardware modules inspired by quantum computing are beneficial for Knapsack problems.

Beispielsweise sind Quantencomputer, die aus Quantencomputing-Hardwaremodule bestehen, beispielsweise auf der Noisy Intermediate Scale Quantum Technologie basieren, aktuell noch nicht für industrielle Anwendungen einsatzbereit, wohl aber Quantencomputing inspirierte klassische Hardwaremodule und Quantencomputing inspirierte Hardwaremodule mit besonderer Zweckbestimmung.For example, quantum computers consisting of quantum computing hardware modules, e.g. based on the Noisy Intermediate Scale Quantum technology, are not yet ready for industrial applications, but quantum computing-inspired classical hardware modules and quantum computing-inspired special-purpose hardware modules are.

Quantencomputing, Schaltkreismodelle mit Quantengittern, adiabatische Quantencomputer und Qubits sind beispielsweise in US 7,877,333 B2 , Spalte 1, Zeile 43, bis Spalte 3, Zeile 3, offenbart. Diese Offenbarungen der US 7,877,333 B2 gehören durch diesen Verweis zwecks Bedeutung der entsprechenden Begriffe für diese Anmeldung zur Offenbarung dieser Anmeldung.Quantum computing, circuit models with quantum lattices, adiabatic quantum computers and qubits are for example in U.S. 7,877,333 B2 , column 1, line 43, to column 3, line 3. These revelations of U.S. 7,877,333 B2 are incorporated by reference into the disclosure of this application for the meaning of the corresponding terms for this application.

Durch Decodieren zumindest von Teilen des berechneten Zustandes kann der Lösungsraum bereits durch die daraus gewonnenen Informationen stark genug eingeschränkt werden, um die vollständige Lösung beispielsweise mit anderen Methoden zu finden.By decoding at least parts of the calculated state, the solution space can already be restricted sufficiently by the information obtained from it to find the complete solution, for example using other methods.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird der berechnete Zustand vollständig decodiert und ausgelesen.According to one aspect of the invention, the calculated state is completely decoded and read out.

Nach einem Aspekt der Erfindung, beispielsweise im Zusammenhang mit adiabatischen Quantencomputern, wird ein Grundzustand des Hamiltonoperators durch den berechneten Zustand angenähert.According to one aspect of the invention, for example in connection with adiabatic quantum computers, a ground state of the Hamiltonian is approximated by the calculated state.

Nach einem Aspekt ist die Optimierungsfunktion quadratischer Ordnung und durch die Formel E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k

Figure DE102021203536B3_0013
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0014
gegeben mit Verschichungsvektor s ,
Figure DE102021203536B3_0015
Maschinenteilen Ak, k ∈ {1, ... , Nobjects} Messwerten A i k , i { 1, , N Segm ( k ) } , w : 0 3 N 0 3 , und w ( , k , ) : 0 2 { 1, , N Segm ( k ) } , k ter
Figure DE102021203536B3_0016
Eintrag sk ∈ {0,... , NSegm(k) - 1} des Verschiebungsvektors s
Figure DE102021203536B3_0017
und Konstanten c0, ci,k, ci,j,k,k' ∈ ℝ.In one aspect, the optimization function is of quadratic order and given by the formula E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0013
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0014
given with shift vector s ,
Figure DE102021203536B3_0015
machine parts A k , k ∈ {1, ... , N objects } measured values A i k , i { 1, ... , N segment ( k ) } , w : 0 3 N 0 3 , and w ( , k , ) : 0 2 { 1, ... , N segment ( k ) } , k ter
Figure DE102021203536B3_0016
Entry s k ∈ {0,... , N segm (k) - 1} of the displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0017
and constants c 0 , c i,k , c i,j,k,k' ∈ ℝ.

Für den Fall, dass jedes Maschinenteil in dieselbe zweite Anzahl von Abschnitten unterteilt wird, ist die Optimierungsfunktion durch die Formel E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm c i , k A w ( i , k , s k ) k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N Segm c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '

Figure DE102021203536B3_0018
gegeben mit Verschiebungsvektor s ,
Figure DE102021203536B3_0019
Maschinenteilen Ak, k ∈ {1, ... , Nobjects}, Messwerten A i k , i { 1, , N Segm } , w : 0 3 N 0 3 , und w ( , k , ) : 0 2 { 1, , N Segm } , k ter
Figure DE102021203536B3_0020
Eintrag sk ∈ {0, ... ,NSegm - 1} des Verschiebungsvektors s
Figure DE102021203536B3_0021
und Konstanten c0, (ci,k,ci,j,k,k' ∈ ℝ.In the event that each machine part is divided into the same second number of sections, the optimization function is given by the formula E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment c i , k A w ( i , k , s k ) k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N segment c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0018
given with displacement vector s ,
Figure DE102021203536B3_0019
Machine parts A k , k ∈ {1, ... , N objects }, measured values A i k , i { 1, ... , N segment } , w : 0 3 N 0 3 , and w ( , k , ) : 0 2 { 1, ... , N segment } , k ter
Figure DE102021203536B3_0020
Entry s k ∈ {0,...,N Segm - 1} of the displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0021
and constants c 0 , (c i,k ,c i,j,k,k' ∈ ℝ.

Die Dimension des Verschiebungsvektors ist gleich der ersten Anzahl, beispielsweise sieben. Die Konstanten hängen lediglich von den Indizes ab. Aufgabe ist es, den Verschiebungsvektor zu berechnen, der die Optimierungsfunktion minimiert. Die Aufgabe hängt von keinen Bedingungen/Einschränkungen ab, weil jeder Verschiebungsvektor eine valide Konfiguration ergibt.The dimension of the displacement vector is equal to the first number, for example seven. The constants only depend on the indices. The task is to calculate the displacement vector that minimizes the optimization function. The task is not subject to any conditions/constraints because each displacement vector gives a valid configuration.

Nach einem weiteren Aspekt ist das Quantenregister gleich | s : = k = 1 N objects | s k k .

Figure DE102021203536B3_0022
In another aspect, the quantum register is equal | s : = k = 1 N objects | s k k .
Figure DE102021203536B3_0022

Das Qudit |skk ist als Zustand in einem ersten Hilbertraum dargestellt, dessen Dimension gleich der zweiten Anzahl Nsegm(k) ist, beispielsweise 42 für jedes der Maschinenteile. Um einen Eintrag des Verschiebungsvektors zu encodieren, werden nq(k) = [log2 (NSegm(k))] Qubits benötigt, wobei nq(k) abgerundet wird. Das Quantenregister ist als ein Produktzustand in einem zweiten Hilbertraum dargestellt, der ein Produktraum aus den ersten Hilberträumen ist, wobei die Anzahl der Unterräume gleich der ersten Anzahl ist. Beispielsweise ist der zweite Hilbertraum ein Produktraum aus sieben der ersten Hilberträume. Das Produkt ist ein Tensorprodukt. Das Quantenregister erfordert also k = 1 N objects n q ( k )

Figure DE102021203536B3_0023
Qubits. Für den Fall, dass jedes Maschinenteil in dieselbe Anzahl von Abschnitten unterteilt ist und die Dimensionalität jedes Qubits gleich dieser Anzahl ist, werden Nobjectsnq Qubits benötigt. Nach einem weiteren Aspekt sind die Operatoren gegeben durch A ^ i k = m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm ( k ) .
Figure DE102021203536B3_0024
The qudit |s kk is represented as a state in a first Hilbert space whose dimension is equal to the second number N segm (k), say 42 for each of the machine parts. To encode one entry of the displacement vector, n q (k) = [log 2 (N segm (k))] qubits are needed, where n q (k) is rounded down. The quantum register is represented as a product state in a second Hilbert space, which is a product space of the first Hilbert spaces, with the number of subspaces equal to the first number. For example, the second Hilbert space is a product space of seven of the first Hilbert spaces. The product is a tensor product. So the quantum register requires k = 1 N objects n q ( k )
Figure DE102021203536B3_0023
qubits. In case each machine part is divided into the same number of sections and the dimensionality of each qubit is equal to that number, N objects n q qubits are needed. According to a further aspect, the operators are given by A ^ i k = m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment ( k ) .
Figure DE102021203536B3_0024

Der Operator A ^ i k

Figure DE102021203536B3_0025
gibt den Messwert des k-ten Maschinenteils im i-ten Abschnitt aus. Der Operator A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0026
ist unabhängig vom Verschiebungsvektor.The operator A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0025
outputs the measured value of the k-th machine part in the i-th section. The operator A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0026
is independent of the displacement vector.

Es gilt: A ^ i k | s

Figure DE102021203536B3_0027
= m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k n = 1 N objects | s n n
Figure DE102021203536B3_0028
= m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k | s 1 1 | s k k | s N objects N objects
Figure DE102021203536B3_0029
= m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k δ m , s k | m m | k | s 1 1 | s k k | s N objects N objects
Figure DE102021203536B3_0030
= A w ( i , k , s k ) k n = 1 N objects | s n n
Figure DE102021203536B3_0031
= A w ( i , k , s k ) k | s
Figure DE102021203536B3_0032
The following applies: A ^ i k | s
Figure DE102021203536B3_0027
= m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k n = 1 N objects | s n n
Figure DE102021203536B3_0028
= m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k | s 1 1 | s k k | s N objects N objects
Figure DE102021203536B3_0029
= m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k δ m , s k | m m | k | s 1 1 | s k k | s N objects N objects
Figure DE102021203536B3_0030
= A w ( i , k , s k ) k n = 1 N objects | s n n
Figure DE102021203536B3_0031
= A w ( i , k , s k ) k | s
Figure DE102021203536B3_0032

Der Operator A ^ i k

Figure DE102021203536B3_0033
ist herinitisch, denn ( A ^ i k ) = m = 1 N Segm ( k ) ( A w ( i , k , m ) k ) | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm ( k )
Figure DE102021203536B3_0034
= A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0035
mit reellen Zahlen A w ( i , k , m ) k .
Figure DE102021203536B3_0036
The operator A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0033
is Herinitic, because ( A ^ i k ) = m = 1 N segment ( k ) ( A w ( i , k , m ) k ) | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment ( k )
Figure DE102021203536B3_0034
= A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0035
with real numbers A w ( i , k , m ) k .
Figure DE102021203536B3_0036

Außerdem kommutieren diese Operatoren: [ A ^ i k , A ^ j k ' ] = 0

Figure DE102021203536B3_0037
In addition, these operators commute: [ A ^ i k , A ^ j k ' ] = 0
Figure DE102021203536B3_0037

Nach einem weiteren Aspekt ist der Hamiltonoperator gegeben durch H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '

Figure DE102021203536B3_0038
According to a further aspect, the Hamilton operator is given by H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0038

Da, die einzelnen Operatoren in dem Hamiltonoperator hermitisch sind, ist auch der Hamiltonoperator hermitisch.Since the individual operators in the Hamiltonian are Hermitian, the Hamiltonian is also Hermitian.

Dieser Hamiltonoperator ist als eine Matrix darstellbar mit ( k = 1 N objects N Segm ( k ) ) 2

Figure DE102021203536B3_0039
This Hamiltonian can be represented as a matrix with ( k = 1 N objects N segment ( k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0039

Einträgen, wobei die Operatoren A ^ i k

Figure DE102021203536B3_0040
nicht notwendigerweise eine Matrix sind. Es werden aber nur k = 1 N objects n q ( k )
Figure DE102021203536B3_0041
nq(k) Qubits mit nq(k) = [log2 (NSegm(k))] benötigt, um eine derartige Dimensionalität für Quantencomputing zu encodieren. Für den Fall, dass die zweite Anzahl NSegm für alle Maschinenteile gleich ist, ist der Hamiltonoperator gegeben durch H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N Segm c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N Segm c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0042
Entries, where the operators A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0040
are not necessarily a matrix. But only k = 1 N objects n q ( k )
Figure DE102021203536B3_0041
n q (k) qubits with n q (k) = [log 2 (N Segm (k))] are needed to encode such a dimensionality for quantum computing. In the event that the second number N segm is the same for all machine parts, the Hamiltonian is given by H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N segment c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N segment c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0042

Dieser Hamiltonoperator ist als Matrix darstellbar mit ( N Segm N objects ) 2

Figure DE102021203536B3_0043
Einträgen. Es werden aber nur Nobjectsnq Qubits benötigt, um eine derartige Dimensionalität für Quantencomputing zu encodieren.This Hamilton operator can be represented as a matrix with ( N segment N objects ) 2
Figure DE102021203536B3_0043
entries. However, only N objects n q qubits are required to encode such a dimensionality for quantum computing.

Für den Erwartungswert des Hamiltonoperators im Quantenregister gilt dann: E ( | s )

Figure DE102021203536B3_0044
= s | H 0 | s
Figure DE102021203536B3_0045
= s | ( c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k ' ) | s
Figure DE102021203536B3_0046
= c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0047
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0048
= E 0 ( s )
Figure DE102021203536B3_0049
The following then applies to the expectation value of the Hamilton operator in the quantum register: E ( | s )
Figure DE102021203536B3_0044
= s | H 0 | s
Figure DE102021203536B3_0045
= s | ( c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k ' ) | s
Figure DE102021203536B3_0046
= c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0047
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0048
= E 0 ( s )
Figure DE102021203536B3_0049

Dies bedeutet, dass die Berechnung der Energie des Systems im Quantenregister identisch zu der klassischen Berechnung der Optimierungsfunktion ist. Für das Quantencomputing bedeutet dies, dass die Berechnung eines Zustandes identisch zu der klassischen Minimierung der Optimierungsfunktion für den korrespondierenden Verschiebungsvektor ist.This means that the calculation of the energy of the system in the quantum register is identical to the classical calculation of the optimization function. For quantum computing this means that the calculation of a state is identical to the classical minimization of the optimization function for the corresponding displacement vector.

Allgemein können alle quantenmechanische Zustände durch den Dichteoperator ρ = 1 M s a s | s s |

Figure DE102021203536B3_0050
beschrieben werden mit Normierungsfaktor M, sodass Trρ = 1.In general, all quantum mechanical states can be represented by the density operator ρ = 1 M s a s | s s |
Figure DE102021203536B3_0050
can be described with a normalization factor M, so that Trρ = 1.

Nach einem weiteren Aspekt wird der Zustand des Hamiltonoperators mittels eines adiabatischen Quantencomputers berechnet. Ein quantenmechanisches System, das sich im Grundzustand, das heißt im Zustand minimaler Energie, eines zeitunabhängigen Systems befindet, bleibt auch bei Veränderungen des Systems im Grundzustand, wenn die Veränderung nur hinreichend langsam, also adiabatisch, passiert. Die Idee des adiabatischen Quantencomputers ist es, ein System zu konstruieren, das einen zu dieser Zeit noch unbekannten Grundzustand hat, der der Lösung eines bestimmten Problems entspricht, und ein anderes, dessen Grundzustand leicht experimentell zu präparieren ist. Anschließend wird das leicht zu präparierende System in das System überführt, an dessen Grundzustand man interessiert ist, und dessen Zustand dann gemessen. Wenn der Übergang langsam genug erfolgt ist, hat man so die Lösung des Problems, siehe auch Edward Farhi, Jeffrey Goldstone, Sam Gutmann, Michael Sipser: Quantum Computation by Adiabatic Evolution; arXiv.org > quant-ph > arXiv:quant-ph/0001106.According to a further aspect, the state of the Hamilton operator is calculated using an adiabatic quantum computer. A quantum mechanical system that is in the ground state, i.e. in the state of minimum energy, of a time-independent system remains in the ground state even if the system changes if the change occurs sufficiently slowly, i.e. adiabatically. The idea of the adiabatic quantum computer is to construct a system that has a ground state that is still unknown at the time, which corresponds to the solution of a certain problem, and another one whose ground state can easily be prepared experimentally. Then, the system, which is easy to prepare, is transferred to the system whose ground state one is interested in, and whose state is then measured. If the transition is slow enough, this is the solution to the problem, see also Edward Farhi, Jeffrey Goldstone, Sam Gutmann, Michael Sipser: Quantum Computation by Adiabatic Evolution; arXiv.org > quant-ph > arXiv:quant-ph/0001106.

Nach einem weiteren Aspekt wird der Zustand des Hamiltonoperators auf einem Quantengatter basiertem Quantencomputer berechnet.According to a further aspect, the state of the Hamiltonian is calculated on a quantum gate-based quantum computer.

Beispielsweise wird der berechnete Zustand mittels eines Variational-Quantum-Eigensolver-Algorithmus, abgekürzt VQE-Algorithmus berechnet. Der VQE-Algorithmus basiert auf quantenmechanischen Variationsverfahren und teilt die Berechnung des Grundzustandes auf erste Prozesse auf, die mit klassischen Computern berechnet werden können, und auf zweite Prozesse, die mittels Quantumcomputing berechnet werden können. Der VQE-Algorithmus ist beispielsweise in Ä variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor“, A. Peruzzo et al., Nat. Comm., 5, 4213 (2014) beschrieben und umfasst die Schritte:

  • • Darstellen eines initialen Quantenzustands auf einem Quantencomputer;
  • • Generieren eines Ansatz-Quantenzustandes durch Anwenden eines Quantengatters auf den initialen Quantenzustand, wobei das Quantengatter durch klassische Parameter parametrisiert ist;
  • • Bestimmen des Erwartungswertes des Hamiltonoperators in dem Ansatz-Quantenzustand auf einem Quantencomputer;
  • • Aktualisieren der Parameter des Quantengatters, um den Erwartungswert kleiner zu machen, mittels klassischen Optimierungsalgorithmen;
  • • Wiederholen der vorangehenden Schritte bis der Erwartungswert konvergiert.
For example, the calculated state is calculated using a variational quantum eigensolver algorithm, VQE algorithm for short. The VQE algorithm is based on quantum mechanical variation methods and divides the calculation of the ground state into first processes that can be calculated using classical computers and second processes that can be calculated using quantum computing. For example, the VQE algorithm is described in Ä variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor”, A. Peruzzo et al., Nat. Comm., 5, 4213 (2014) and includes the steps:
  • • Representation of an initial quantum state on a quantum computer;
  • • generating an initial quantum state by applying a quantum gate to the initial quantum state, the quantum gate being parameterized by classical parameters;
  • • determining the expectation value of the Hamiltonian in the approach quantum state on a quantum computer;
  • • Updating the parameters of the quantum gate to make the expectation value smaller using classical optimization algorithms;
  • • Repeat the previous steps until the expected value converges.

Ein weiterer Aspekt umfasst die Merkmale, dass

  • • die Maschinenteile NDisks-Scheilben sind, die gestapelt und zu einer Kupplung als Maschinenelement angeordnet werden;
  • • die Abschnitte jeder der Scheiben Segmente sind, wobei alle Scheiben die gleiche Anzahl an Segmenten haben;
  • • als Messwerte Höhen der Segmente gemessen werden;
  • • eine durch den Verschiehungsvektor bewirkte Umordnung Drehungen der Scheiben entspricht;
  • • der Hamiltonoperator durch H 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( A ^ avg A ^ i k ) ) 2
    Figure DE102021203536B3_0051
    gegeben ist mit A ^ avg : = 1 N Segm j = 1 N Segm 1 N Disks i = 1 N Disks A ^ i j ;
    Figure DE102021203536B3_0052
  • • die optimierte Anordnung gegeben ist durch einen Stapel, für den Abweichungen der über die Scheiben summierten Höhen in jedem Segment minimal sind.
Another aspect includes the characteristics that
  • • the machine parts are N Disks that are stacked and arranged into a clutch as a machine element;
  • • the portions of each of the disks are segments, with all disks having the same number of segments;
  • • heights of the segments are measured as measured values;
  • • a rearrangement caused by the displacement vector corresponds to rotations of the disks;
  • • the Hamilton operator through H 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( A ^ avg A ^ i k ) ) 2
    Figure DE102021203536B3_0051
    is given with A ^ avg : = 1 N segment j = 1 N segment 1 N disks i = 1 N disks A ^ i j ;
    Figure DE102021203536B3_0052
  • • the optimized arrangement is given by a stack for which deviations of the heights summed over the slices are minimal in each segment.

Beispielsweise ist NDisks = Nobjects.For example, N Disks = N objects .

Der Operator Âavg gibt die Durchschnittshöhe über alle Maschinenteile-Scheiben aus.The  avg operator returns the average height across all machine parts slices.

Bei der Herstellung von Kupplungen hängt die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der resultierenden Kupplung entscheidend von der Diskrepanz zwischen dem dünnsten und dicksten Längsschnitt der gestapelten Kupplungsscheiben ab. Die klassische Aufgabe, die Kupplungsscheiben zu drehen und derart aufeinander zu stapeln, dass diese Diskrepanz minimal ist, wird damit erfindungsgemäß mittels Quantencomputing gelöst.In the manufacture of clutches, the performance and longevity of the resulting clutch is critically dependent on the discrepancy between the thinnest and thickest longitudinal section of the stacked clutch plates. The classic task of turning the clutch disks and stacking them on top of each other in such a way that this discrepancy is minimal is thus solved according to the invention by means of quantum computing.

Im klassischen Fall entspricht diese Aufgabe einer Minimierung der Funktion. E 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2 ,

Figure DE102021203536B3_0053
wobei A i k
Figure DE102021203536B3_0054
der Messwert des k-ten Maschinenteils im i-ten Abschnitt ist, beispielsweise die Höhe/Dicke dieses Abschnittes, und A avg = 1 N Segm i = 1 N Segm 1 N Disks k = 1 N Disks A i k .
Figure DE102021203536B3_0055
In the classic case, this task corresponds to a minimization of the function. E 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2 ,
Figure DE102021203536B3_0053
whereby A i k
Figure DE102021203536B3_0054
is the measured value of the k-th machine part in the i-th section, for example the height/thickness of this section, and A avg = 1 N segment i = 1 N segment 1 N disks k = 1 N disks A i k .
Figure DE102021203536B3_0055

Es gilt: A ^ avg | s = 1 N Segm i = 1 N Segm 1 N Disks k = 1 N Disks A ^ i k | s

Figure DE102021203536B3_0056
= 1 N Segm i = 1 N Segm 1 N Disks k = 1 N Disks A w ( i , k , s k ) k | s
Figure DE102021203536B3_0057
= A avg 1 | s
Figure DE102021203536B3_0058
The following applies: A ^ avg | s = 1 N segment i = 1 N segment 1 N disks k = 1 N disks A ^ i k | s
Figure DE102021203536B3_0056
= 1 N segment i = 1 N segment 1 N disks k = 1 N disks A w ( i , k , s k ) k | s
Figure DE102021203536B3_0057
= A avg 1 | s
Figure DE102021203536B3_0058

Das heißt, dass im Quantenregister der Wert Âavg ein Eigenwert des Operators Âavg ist.This means that in the quantum register the value  avg is an eigenvalue of the operator  avg .

Die Abbildung πk(i) hängt mit dem Verschiebungsvektor s = ( s 0 , , s N Disks 1 ) T

Figure DE102021203536B3_0059
= (s0,...,sNDisks-1)T wie folgt zusammen: π k ( i ) = ( i + s k mod N Segm ) + 1
Figure DE102021203536B3_0060
mit Inversem π k 1 ( i ) = ( i s k mod N Segm ) + 1.
Figure DE102021203536B3_0061
The mapping π k (i) is related to the displacement vector s = ( s 0 , ... , s N disks 1 ) T
Figure DE102021203536B3_0059
= (s 0 ,...,sN Disks -1) T as follows: π k ( i ) = ( i + s k model N segment ) + 1
Figure DE102021203536B3_0060
with inverse π k 1 ( i ) = ( i s k model N segment ) + 1.
Figure DE102021203536B3_0061

Es gilt: E 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2

Figure DE102021203536B3_0062
= i = 1 N Segm ( N Disks A avg k = 1 N Disks A π k ( i ) k ) 2
Figure DE102021203536B3_0063
= i = 1 N Segm ( 1 N Segm j = 1 N Segm k = 1 N Disks A j k k = 1 N Disks A π k ( i ) k ) 2
Figure DE102021203536B3_0064
= i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( 1 N Segm j = 1 N Segm A j k A π k ( i ) k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0065
= j = 1 N Segm k = 1 N Disks ( 1 N Segm j = 1 N Segm A j k A π k ( i ) k ) ( 1 N Segm j = 1 N Segm A j k ' A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0066
= i = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( 1 N Segm 2 j , j ' = 0 N Segm 1 A j k A j ' k ' A π k ' ( i ) k ' 1 N Segm j = 1 N Segm A j k
Figure DE102021203536B3_0067
A π k ( i ) k 1 N Segm j = 1 N Segm 1 A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0068
= 1 N Segm i , j = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( A j k A i k ' A π k ' ( i ) k ' A j k A π k ( i ) k A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0069
= 1 N Segm i , j = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( A j k A i k ' A j k A i k ' i π k ' 1 ( i ) A π k ( i ) k A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0070
= 1 N Segm i , j = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' A π k ( i ) k A j k ' )
Figure DE102021203536B3_0071
= 1 N Segm i , j = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( N Segm A π k ( i ) k A π k ' ( j ) k ' δ i , j A π k ( i ) k A j k ' )
Figure DE102021203536B3_0072
= i = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks ( A π k ( i ) k j = 1 N Segm A π k ' ( j ) k ' δ i , j 1 N Segm A π k ( i ) k j = 1 N Segm A π k ' ( j ) k ' j π k ' ( j ) )
Figure DE102021203536B3_0073
= i , j = 1 N Segm k , k ' = 1 N Disks A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' ( δ i , j 1 N Segm )
Figure DE102021203536B3_0074
The following applies: E 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0062
= i = 1 N segment ( N disks A avg k = 1 N disks A π k ( i ) k ) 2
Figure DE102021203536B3_0063
= i = 1 N segment ( 1 N segment j = 1 N segment k = 1 N disks A j k k = 1 N disks A π k ( i ) k ) 2
Figure DE102021203536B3_0064
= i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( 1 N segment j = 1 N segment A j k A π k ( i ) k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0065
= j = 1 N segment k = 1 N disks ( 1 N segment j = 1 N segment A j k A π k ( i ) k ) ( 1 N segment j = 1 N segment A j k ' A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0066
= i = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( 1 N segment 2 j , j ' = 0 N segment 1 A j k A j ' k ' A π k ' ( i ) k ' 1 N segment j = 1 N segment A j k
Figure DE102021203536B3_0067
A π k ( i ) k 1 N segment j = 1 N segment 1 A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0068
= 1 N segment i , j = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( A j k A i k ' A π k ' ( i ) k ' A j k A π k ( i ) k A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0069
= 1 N segment i , j = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( A j k A i k ' A j k A i k ' i π k ' 1 ( i ) A π k ( i ) k A j k ' + A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' )
Figure DE102021203536B3_0070
= 1 N segment i , j = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' A π k ( i ) k A j k ' )
Figure DE102021203536B3_0071
= 1 N segment i , j = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( N segment A π k ( i ) k A π k ' ( j ) k ' δ i , j A π k ( i ) k A j k ' )
Figure DE102021203536B3_0072
= i = 1 N segment k , k ' = 1 N disks ( A π k ( i ) k j = 1 N segment A π k ' ( j ) k ' δ i , j 1 N segment A π k ( i ) k j = 1 N segment A π k ' ( j ) k ' j π k ' ( j ) )
Figure DE102021203536B3_0073
= i , j = 1 N segment k , k ' = 1 N disks A π k ( i ) k A π k ' ( i ) k ' ( δ i , j 1 N segment )
Figure DE102021203536B3_0074

Die Identifikationen c i , k = c 0 = 0

Figure DE102021203536B3_0075
c i , j , k , k ' = δ i , j 1 N Segm
Figure DE102021203536B3_0076
w ( i , k , s k ) = ( s k + i mod N Segm ) + 1
Figure DE102021203536B3_0077
E 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0078
ein Spezialfall von E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0079
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0080
ist.The identifications c i , k = c 0 = 0
Figure DE102021203536B3_0075
c i , j , k , k ' = δ i , j 1 N segment
Figure DE102021203536B3_0076
w ( i , k , s k ) = ( s k + i model N segment ) + 1
Figure DE102021203536B3_0077
E 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( A avg A π k ( i ) k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0078
a special case of E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0079
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0080
is.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Hamiltonoperator durch H 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks B ^ i k ) 2

Figure DE102021203536B3_0081
= k , k ' = 1 N Disks i = 1 N Segm B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0082
gegeben mit B ^ i k = m = 1 N Segm B w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm
Figure DE102021203536B3_0083
According to a further aspect of the invention, the Hamiltonian is through H 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks B ^ i k ) 2
Figure DE102021203536B3_0081
= k , k ' = 1 N disks i = 1 N segment B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0082
given with B ^ i k = m = 1 N segment B w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment
Figure DE102021203536B3_0083

Anstatt die Differenz zwischen Durchschnittshöhe und jeweiliger Segmenthöhe zu berechnen, werden nach diesem Aspekt nur die Differenzen in dem Operator B ^ i k

Figure DE102021203536B3_0084
encodiert. Die modifizierte Segmenthöhe ist B i k = A avg A i k .
Figure DE102021203536B3_0085
Die Zeitentwicklung ist gegeben durch den k ↔ k' Kopplungsterm i = 1 N Segm B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0086
zwischen den Qudits.According to this aspect, instead of calculating the difference between average height and respective segment height, only the differences in the operator B ^ i k
Figure DE102021203536B3_0084
encoded. The modified segment height is B i k = A avg A i k .
Figure DE102021203536B3_0085
The time evolution is given by the k ↔ k' coupling term i = 1 N segment B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0086
between the qudits.

Ein weiterer Aspekt umfasst die Merkmale, dass

  • • eine dritte Anzahl NE an Maschinenelementen bereitgestellt wird;
  • • eine Gesamtmenge D an Maschinenteilen die Mächtigkeit i = 1 N E N object ( i )
    Figure DE102021203536B3_0087
    wobei Nobjects(i) die Anzahl der Maschinenteile für das Maschinenelement i ist für alle i ∈ {1,...,NE};
  • • eine gemeinsame Partition P : D → {1,...,NE} bestimmt wird, wobei die Partition P eine Zuordnung der Maschinenteile auf die Maschinenelemente ist und wobei die Mächtigkeit |P-1(i)| gleich der Anzahl Nobjects(i) an Maschinenteilen für das Maschinenelement i ist für alle i ∈ {1, ... , NE}.
Another aspect includes the characteristics that
  • • a third number N E of machine elements is provided;
  • • a total amount D of machine parts the thickness i = 1 N E N objects ( i )
    Figure DE102021203536B3_0087
    where N objects (i) is the number of machine parts for machine element i for all i ∈ {1,...,N E };
  • • a common partition P : D → {1,...,N E } is determined, where the partition P is an assignment of the machine parts to the machine elements and where the size |P -1 (i)| equal to the number N objects (i) of machine parts for the machine element i for all i ∈ {1, ... , N E }.

Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft für den Fall, dass die Maschinenelemente Kupplungen und die Maschinenteile Kupplungsscheiben sind. Wenn die Kupplungsscheiben einer Kupplung nicht derart gedreht werden können, dass die beschriebene Diskrepanz minimiert wird, wird diese Kupplung in der Regel aus Qualitätsgründen verworfen. Durch die Berücksichtigung eines Austausches von Kupplungsscheiben zwischen den Kupplungen mittels der Partition müssen im Idealfall keine Kupplungen mehr verworfen werden. In den zuvor beschriebenen Aspekten war die Partition fix, die Anordnung der Kupplungsscheiben wurde dabei separat, das heißt lokal, für jede Kupplung optimiert. Nach diesem Aspekt wird die Anordnung der Kupplungsscheiben global, das heißt über alle Kupplungen, optimiert. Die globale Optimierung ermöglicht eine Maximierung der Anzahl an Kupplungen, die jeweils eine optimierte Anordnung der Kupplungsscheiben haben.This aspect is particularly advantageous in the event that the machine elements are clutches and the machine parts are clutch discs. If the clutch discs of a clutch cannot be turned in such a way that the discrepancy described is minimized, this clutch is usually discarded for quality reasons. By taking into account an exchange of clutch disks between the clutches by means of the partition, ideally no more clutches have to be discarded. In the aspects described above, the partition was fixed, the arrangement of the clutch discs was optimized separately, i.e. locally, for each clutch. According to this aspect, the arrangement of the clutch disks is optimized globally, ie across all clutches. The global optimization allows to maximize the number of clutches each having an optimized clutch disc arrangement.

Durch die gemeinsame Partition ist die Anzahl von Maschinenteilen pro Maschinenelement variabel. Sind beispielsweise 70 Kupplungsscheiben bereitgestellt und ist die dritte Anzahl NE gleich drei, kann beispielsweise eine erste Kupplung mit 30 Kupplungsscheiben, eine zweite Kupplung mit 25 Kupplungsscheiben und eine dritte Kupplung mit 15 Kupplungsscheiben produziert werden, wobei die erste, zweite und dritte Kupplung jeweils eine optimierte Anordnung der Kupplungsscheiben haben.Due to the common partition, the number of machine parts per machine element is variable. If, for example, 70 clutch discs are provided and the third number N E is three, For example, a first clutch with 30 clutch discs, a second clutch with 25 clutch discs and a third clutch with 15 clutch discs are produced, with the first, second and third clutch each having an optimized arrangement of the clutch discs.

In einer Ausführungsform dieses Aspektes hängt die Anzahl der Maschinenteile nicht von den Maschinenelementen ab. Jedes Maschinenelement hat dieselbe Anzahl an Maschinenteilen. Beispielsweise sind 70 Kupplungsscheiben bereitgestellt und es sollen 10 Kupplungen jeweils mit 7 Kupplungsscheiben produziert werden. Bei der globalen Optimierung werden dann die 70 Kupplungsscheiben über alle Kupplungen derart verteilt, dass die 7 entstehenden Kupplungen jeweils eine optimierte Anordnung von 10 Kupplungsscheiben haben.In an embodiment of this aspect, the number of machine parts does not depend on the machine elements. Each machine element has the same number of machine parts. For example, 70 clutch discs are provided and 10 clutches are to be produced, each with 7 clutch discs. In the global optimization, the 70 clutch disks are then distributed across all clutches in such a way that the 7 resulting clutches each have an optimized arrangement of 10 clutch disks.

Die Anzahl der Kupplungen, die hinsichtlich der Anordnung ihrer Kupplungsscheiben eine Qualitätsschwelle unterschreiten, wird nach einem Aspekt beispielsweise dadurch bestimmt, dass eine Kupplung i, die die Qualitätsschwelle unterschreitet, betrachtet wird. Für eine Zufallspartition P wird eine zufällig gewählte Kupplungsscheibe aus P-1 (i) mit einer zufällig gewählten Kupplungsscheibe aus P-1(j) für beliebiges i ≠ j vertauscht. Dieser Schritt wird so oft wiederholt, bis alle Kupplungen, die die Qualitätsschwelle unterschreiten, aufgelöst sind, oder bis ein gegebenes Zeitlimit erreicht ist.According to one aspect, the number of clutches that fall below a quality threshold with regard to the arrangement of their clutch disks is determined, for example, by considering a clutch i that falls below the quality threshold. For a random partition P, a randomly chosen clutch disc from P -1 (i) is swapped with a randomly chosen clutch disc from P -1 (j) for any i ≠ j. This step is repeated until all clutches that fall below the quality threshold are resolved, or until a given time limit is reached.

Nach einem weiteren Aspekt wird die Anzahl der Kupplungen, die hinsichtlich der Anordnung ihrer Kupplungsscheiben eine Qualitätsschwelle unterschreiten, dadurch bestimmt, dass eine Kupplung i, die die Qualitätsschwelle unterschreitet, betrachtet wird. Anschließend wird eine Kupplung j nach dem Zufallsprinzip betrachtet. Die Kupplungsscheiben der Kupplungen i und j werden nach dem Zufallsprinzip vertauscht und/oder neu angeordnet. Dieser Schritt wird so oft wiederholt, bis alle Kupplungen, die die Qualitätsschwelle unterschreiten, aufgelöst sind, oder bis ein gegebenes Zeitlimit erreicht ist.According to a further aspect, the number of clutches that falls below a quality threshold with regard to the arrangement of their clutch disks is determined by considering a clutch i that falls below the quality threshold. Then a clutch j is randomly considered. The clutch discs of clutches i and j are randomly swapped and/or rearranged. This step is repeated until all clutches that fall below the quality threshold are resolved, or until a given time limit is reached.

Alternativ zum Austausch nach dem Zufallsprinzip wird nach einem Aspekt der vorteilhafteste Austausch berechnet und angewendet. Weiterer Aspekte in diesem Zusammenhang betreffen simuliertes Annealing und evolutionäre Algorithmen.As an alternative to random exchange, in one aspect the most advantageous exchange is calculated and applied. Other aspects in this context concern simulated annealing and evolutionary algorithms.

Die Erfindung kann beispielsweise in der Montage von Antriebsstrangsystemen, beispielsweise elektrifizierten Antriebssträngen, sowie deren Komponenten angewendet werden.The invention can be used, for example, in the assembly of drive train systems, for example electrified drive trains, and their components.

Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:

  • 1 eine Darstellung einer Diskrepanz im Sinne der Erfindung,
  • 2 eine Darstellung der Diskrepanz aus 1 nach Optimierung,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines Maschinenteils,
  • 4 eine Darstellung für eine Verschiebung mittels eines erfindungsgemäßen Verschiebungsvektors und
  • 5 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention is illustrated in the following exemplary embodiments. Show it:
  • 1 a representation of a discrepancy within the meaning of the invention,
  • 2 a representation of the discrepancy 1 after optimization,
  • 3 an embodiment of a machine part,
  • 4 a representation for a displacement by means of a displacement vector according to the invention and
  • 5 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally similar reference parts. For the sake of clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.

Das Beispiel der 1 könnte auf vier Maschinenteilen Disk in Form von Scheiben, die zu einer Kupplung zusammengestapelt angeordnet werden, basieren. Jede der Scheiben Disk wird in 3 Abschnitte Seg unterteilt.The example of 1 could be based on four machine parts Disk in the form of discs stacked together to form a clutch. Each of the slices Disk is divided into 3 Seg sections.

Erfindungsgemäß könnten die vier Scheiben Disk aber auch in jeweils unterschiedliche Anzahlen von Abschnitten Seg unterteilt werden. Beispielsweise könnte die erste Scheibe Disk in 2, die zweite Scheibe Disk in 3, die dritte Scheibe Disk in 4 und die vierte Scheibe Disk in 5 Abschnitte Seg unterteilt werden.According to the invention, however, the four discs could also be subdivided into different numbers of sections Seg. For example, the first disk could be divided into 2, the second disk into 3, the third disk into 4, and the fourth disk into 5 sections Seg.

In jedem dieser Abschnitte Seg wird die Höhe/Dicke des Abschnittes als Messwert M gemessen mittels eines Sensors L, beispielsweise mittels einer Laser-Messmaschine.In each of these sections Seg, the height/thickness of the section is measured as a measured value M using a sensor L, for example using a laser measuring machine.

3 zeigt eines der Maschinenteile Disk, beispielsweise eine Kupplungsscheibe. 3 shows one of the machine parts Disk, for example a clutch disk.

Die einzelnen Messwerte M werden in die in 1 gezeigte Matrix eingetragen. Eine Zeile dieser Matrix entspricht einer Scheibe Disk. Eine Spalte dieser Matrix entspricht einem Abschnitt Seg der jeweiligen Scheibe.The individual measured values M are converted into the in 1 shown matrix entered. A row of this matrix corresponds to a slice Disk. A column of this matrix corresponds to a section Seg of the respective disk.

In dem obigen Beispiel, in dem die erste Scheibe Disk in 2, die zweite Scheibe Disk in 3, die dritte Scheibe Disk in 4 und die vierte Scheibe Disk in 5 Abschnitte Seg unterteilt werden, werden die einzelnen Messwerte in eine Sammlung von Listen eingetragen. Dabei hat eine erste Zeile 2, eine zweite Zeile 3, eine dritte Zeile 4 und eine vierte Zeile 5 Einträge.In the above example, where the first disk is divided into 2, the second disk into 3, the third disk into 4, and the fourth disk into 5 sections Seg, the individual readings are entered into a collection of lists. A first line has 2, a second line 3, a third line 4 and a fourth line 5 entries.

Die Summe der Messwerte M in 1 über die ersten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk ergibt 14. Die Summe der Messwerte M über die zweiten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk ergibt 14. Die Summe der Messwerte M über die dritten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk ergibt 26. Die Diskrepanz dieser Summen ist 12.The sum of the measured values M in 1 over the first sections Seg of all slices Disk gives 14. The sum of the measured values M over the second sections Seg of all slices Disk gives 14. The sum of the measured values M over the third sections Seg of all slices Disk gives 26. The discrepancy of these sums is 12.

In 2 wurde die Scheibe Disk 4 zyklisch gedreht: Seg3→Seg2, Seg2→Seg1, Seg1→Seg3. Notation: Seg_(vor der Drehung)→Seg_(nach der Drehung). Die Scheibe Disk 3 wurde zyklisch gedreht: Seg3→ Segl, Seg2→Seg3, Seg1→Seg2. Die Scheibe Disk 2 wurde nicht gedreht. Die Scheibe Disk 1 wurde analog zu Disk 3 gedreht. Diese Drehungen entsprechen Verschiebungen der Spalten der Matrix durch einen Verschiebungsvektor.In 2 the disk Disk 4 was rotated cyclically: Seg3→Seg2, Seg2→Seg1, Seg1→Seg3. Notation: Seg_(before rotation)→Seg_(after rotation). Disk 3 was rotated cyclically: Seg3→Segl, Seg2→Seg3, Seg1→Seg2. Disk 2 was not rotated. Disk 1 was rotated in the same way as Disk 3. These rotations correspond to displacements of the columns of the matrix by a displacement vector.

Nach der Drehung ergibt die Summe der Messwerte M über die ersten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk 20. Die Summe der Messwerte M über die zweiten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk ergibt 14. Die Summe der Messwerte M über die dritten Abschnitte Seg aller Scheiben Disk ergibt 20. Die Diskrepanz dieser Summen ist nun optimiert auf 6.After the rotation, the sum of the measured values M over the first sections Seg of all disks is 20. The sum of the measured values M over the second sections Seg of all disks is 14. The sum of the measured values M over the third sections Seg of all disks is 20 The discrepancy of these sums is now optimized to 6.

4 zeigt auch eine Matrixdarstellung. Die einzelnen Einträge A7 sind die Höhenmesswerte M. Die erste Anzahl Nobjects ist beispielsweise gleich sieben. Die zweite Anzahl NSegm ist beispielsweise gleich 42 für jede Scheibe. In 4 wurde der Verschiebungsvektor auf die zweite Scheibe Disk2 angewendet. Dargestellt ist eine Summe Sum über die alle Einträge in der zweiten Spalte. 4 also shows a matrix representation. The individual entries A7 are the height measurement values M. The first number N objects is equal to seven, for example. For example, the second number N Segm is equal to 42 for each slice. In 4 the displacement vector was applied to the second disk Disk2. A total of all entries in the second column is shown.

Das in 5 dargestellte Verfahren ist ein Ausführungsbeispiel des allgemeinen erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem Ausführungsbeispiel werden alle Maschinenteile in eine gleiche Anzahl Nsegm von Abschnitten unterteilt und die Dimensionalität jedes der Qudits (|skk) ist gleich der zweiten Anzahl NSegm.This in 5 The method illustrated is one embodiment of the general method of the present invention. In the exemplary embodiment, all machine parts are divided into an equal number N segm of sections and the dimensionality of each of the qudits (|s kk ) is equal to the second number N segm .

In einem ersten in 5 gezeigtem Verfahrensschritt V1 wird eine erste Anzahl Nobjects, der Maschinenteile Disk für ein Maschinenelement bereitgestellt. Beispielsweise werden sieben Kupplungsscheiben für eine Kupplung bereitgestellt.In a first in 5 In the method step V1 shown, a first number N objects , the machine parts disk for a machine element is provided. For example, seven clutch discs are provided for one clutch.

In einem Verfahrensschritt V2 wird jedes der Maschinenteile Disk in wenigstens eine zweite Anzahl NSegm von Abschnitten Seg unterteilt. Es wird jeweils ein Messwert M in den jeweiligen Abschnitten Seg unter Verwendung eines Sensors L in eine Matrix eingelesen. Die Matrix hat die ersten Anzahl Nobjects an Reihen und die zweite Anzahl NSegm an Spalten.In a method step V2, each of the machine parts Disk is subdivided into at least a second number N Segm of sections Seg. A measured value M is read into a matrix using a sensor L in the respective sections Seg. The matrix has the first number N objects of rows and the second number N segments of columns.

In einem dritten Verfahrensschritt V3 wird einer Optimierungsfunktion E0 aus Einträgen der Matrix in Abhängigkeit eines Verschiebungsvektors s

Figure DE102021203536B3_0088
bereitgestellt. Der Verschiebungsvektors s
Figure DE102021203536B3_0089
beschreibt eine Umordnung der Messwerte M der jeweiligen Spalten in einer jeden der Zeilen der Matrix. Die Optimierungsfunktion E0 kann folgende Form aufweisen: E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm c i , k A w ( i , k , s k ) k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N Segm c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0090
In a third method step V3, an optimization function E 0 from entries in the matrix as a function of a displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0088
provided. The displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0089
describes a rearrangement of the measured values M of the respective columns in each of the rows of the matrix. The optimization function E 0 can have the following form: E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment c i , k A w ( i , k , s k ) k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N segment c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0090

Ein zu berechnender Verschiebungsvektor s ,

Figure DE102021203536B3_0091
durch dessen Verschiebungen eine Diskrepanz der Messwerte M in den jeweiligen Abschnitten Seg der Maschinenteile Disk minimiert wird, minimiert die Optimierungsfunktion E0.A displacement vector to calculate s ,
Figure DE102021203536B3_0091
whose displacements minimize a discrepancy in the measured values M in the respective sections Seg of the machine parts Disk, which minimizes the optimization function E 0 .

In einem vierten Verfahrensschritt V4 wird der Verschiebungsvektors s

Figure DE102021203536B3_0092
in ein Quantenregister | s
Figure DE102021203536B3_0093
mit der ersten Anzahl Nobjccts an Qudits encodiert. Die Dimensionalität jedes der Qudits (|sk)k) ist gleich der zweiten Anzahl NSegm. Das Quantenregister | s
Figure DE102021203536B3_0094
kann folgende Form aufweisen: | s : = k = 1 N objects | s k k
Figure DE102021203536B3_0095
In a fourth method step V4, the displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0092
into a quantum register | s
Figure DE102021203536B3_0093
encoded with the first number N objccts of qudits. The dimensionality of each of the qudits (|s k ) k ) is equal to the second number N Segm . The Quantum Register | s
Figure DE102021203536B3_0094
can have the following form: | s : = k = 1 N objects | s k k
Figure DE102021203536B3_0095

In einem fünften Verfahrensschritt V5 werden Operatoren A ^ i k

Figure DE102021203536B3_0096
bereitgestellt, für die das Quantenregister | s
Figure DE102021203536B3_0097
jeweils ein Eigenvektor ist und ein Eigenwert eines der Operatoren A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0098
jeweils einer der Messwerte M in einem der Abschnitte Seg jeweils eines der Maschinenteile Disk ist. Die Operatoren können folgende Form aufweisen: A ^ i k = m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm
Figure DE102021203536B3_0099
In a fifth method step V5, operators A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0096
provided for the the quantum register | s
Figure DE102021203536B3_0097
each is an eigenvector and an eigenvalue of one of the operators A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0098
one of the measured values M in one of the sections Seg is one of the machine parts Disk in each case. The operators can have the following form: A ^ i k = m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment
Figure DE102021203536B3_0099

In einem sechsten Verfahrensschritt V6 werden die Operatoren A ^ i k

Figure DE102021203536B3_0100
zu einem Hamiltonoperator H0 kombiniert, dessen Erwartungswerts im Quantenregister A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0101
gleich dem Wert der Optimierungsfunktion E0 über dem Verschiebungsvektor s
Figure DE102021203536B3_0102
ist. Der Hamiltonoperator kann folgende Form aufweisen: H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N Segm c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N Segm c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0103
In a sixth method step V6, the operators A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0100
combined into a Hamiltonian H 0 whose expectation value is in the quantum register A ^ i k
Figure DE102021203536B3_0101
equal to the value of the optimization function E 0 over the displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0102
is. The Hamilton operator can have the following form: H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N segment c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i , j = 1 N segment c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0103

In einem siebten Verfahrensschritt V7 wird ein Grundzustand des Hamiltonoperators H0 berechnet, beispielsweise mittels eines adiabatischen Quantencomputers.In a seventh method step V7, a basic state of the Hamilton operator H 0 is calculated, for example using an adiabatic quantum computer.

In einem achten Verfahrensschritt V8 wird der Grundzustand in die optimierte Anordnung der Maschinenteile Disk decodiert und die optimierten Anordnung ausgelesen, um die Maschinenteile Disk entsprechend anzuordnen.In an eighth method step V8, the basic state is decoded into the optimized arrangement of the machine parts disk and the optimized arrangement is read out in order to arrange the machine parts disk accordingly.

BezugszeichenlisteReference List

V1-V8V1-V8
Verfahrensschritteprocess steps
Diskdisk
Maschinenteilmachine part
Segseg
Abschnittsection
MM
Höhe, Messwertheight, reading
LL
Sensorsensor
Messwertereadings
NobjectsNo objects
erste Anzahlfirst number
NSegmNSegm
zweites Anzahlsecond number
SumSum
Summetotal
E0E0
Optimierungsfunktionoptimization function
Quantenregisterquantum register
Operatoroperator
H0H0
HamiltonoperatorHamilton operator
Erwartungswertexpected value

Claims (10)

Verfahren zum Optimieren einer Anordnung von Maschinenteilen (Ak, k; ∈ {1,..., Nobjects}, Disk) mittels Quantencomputing umfassend die Schritte • Bereitstellen einer ersten Anzahl (Nobjects) der Maschinenteile (Ak, k ∈ {1, ... , Nobjects}; Disk) für ein Maschinenelement (V1); • Unterteilen jedes der Maschinenteile (Ak; Disk) jeweils in eine zweite, für das jeweilige Maschinenteil (Ak; Disk) spezifische Anzahl (NSegm(k)) von Abschnitten (Seg) und Einlesen von jeweils einem Messwert ( A i k , i { 1, , N Segm ( k ) } )
Figure DE102021203536B3_0108
in den jeweiligen Abschnitten (Seg) unter Verwendung eines Sensors (L) in eine Sammlung von Listen mit der ersten Anzahl (Nobjects) an Reihen und den zweiten Anzahlen (Nsegm) an Spalten (V2); • Bereitstellen einer Optimierungsfunktion (E0) aus Einträgen der Sammlung von Listen in Abhängigkeit eines Vcrschicbungsvektors ( s ) ,
Figure DE102021203536B3_0109
der eine Umordnung der Messwerte ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0110
der jeweiligen Spalten in einer jeden der Zeilen der Sammlung von Listen beschreibt, wobei ein zu berechnender Verschiebungsvektor ( s ) ,
Figure DE102021203536B3_0111
durch dessen Umordnung eine Diskrepanz der Messwerte ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0112
in den jeweiligen Abschnitten (Seg) der Maschinenteile (Ak, k ∈ {1, ... , Nobjects}; Disk) minimiert wird, die Optimierungsfunktion (E0) minimiert (V3); • Encodieren des Verschiebungsvektors ( s )
Figure DE102021203536B3_0113
in ein Quantenregister ( | s )
Figure DE102021203536B3_0114
mit der ersten Anzahl (Nobjects) an Qudits ( | s k k ) ,
Figure DE102021203536B3_0115
wobei jedes der Qudits eine k-te Umordnung in dem Verschiebungsvektor codiert und die Dimensionalität der Qudits ( | s k k )
Figure DE102021203536B3_0116
kleiner, gleich oder größer der jeweiligen zweiten Anzahl (NSegm) ist (V4); • Bereitstellen von Operatoren ( A ^ i k ) ,
Figure DE102021203536B3_0117
für die das Quantenregister ( | s )
Figure DE102021203536B3_0118
jeweils ein Eigenvektor ist und ein Eigenwert eines der Operatoren ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0119
jeweils ein von den Messwerten ( A i k , i { 1, , N Segm ( k ) } ) ,
Figure DE102021203536B3_0120
umfassend die Messwerte ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0121
mehrerer Abschnitte (Seg) oder Maschinenteilen (Ak, k ∈ {1, ... , Nobjects}; Disk), berechneter Wert ist (V5); • Kombinieren der Operatoren ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0122
zu einem Hamiltonoperator (H0), dessen Erwartungswert im Quantenregister ( | s )
Figure DE102021203536B3_0123
gleich dem Wert der Optimierungsfunktion (E0) über dem Verschiebungsvektor ( s )
Figure DE102021203536B3_0124
ist (V6); • Berechnen eines Zustandes des Hamiltonoperators (H0) mittels eines Quantencomputing-Hardwaremoduls, eines von Quantencomputing inspirierten klassischen Hardwaremoduls oder eines von Quantencomputing inspirierten Hardwaremoduls mit besonderer Zweckbestimmung (V7); • Decodieren zumindest von Teilen des berechneten Zustandes in die optimierte Anordnung der Maschinenteile (Disk) und Auslesen der optimierten Anordnung, um die Maschinenteile (Disk) entsprechend anzuordnen (V8).
Method for optimizing an arrangement of machine parts (A k , k; ∈ {1,..., N objects }, Disk) by means of quantum computing, comprising the steps • providing a first number (N objects ) of the machine parts (A k , k ∈ { 1, ... , N objects }; Disk) for a machine element (V1); • Subdividing each of the machine parts (A k ; Disk) into a second number (N Segm (k)) of sections (Seg) specific to the respective machine part (A k ; Disk) and reading in one measured value in each case ( A i k , i { 1, ... , N segment ( k ) } )
Figure DE102021203536B3_0108
in the respective sections (Seg) into a collection of lists with the first number (N objects ) of rows and the second numbers (N segm ) of columns (V2) using a sensor (L); • Providing an optimization function (E 0 ) from entries in the collection of lists depending on a shift vector ( s ) ,
Figure DE102021203536B3_0109
which is a rearrangement of the readings ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0110
of the respective columns in each of the rows of the collection of lists describing a displacement vector to be calculated ( s ) ,
Figure DE102021203536B3_0111
due to its rearrangement, there is a discrepancy in the measured values ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0112
in the respective sections (Seg) of the machine parts (A k , k ∈ {1, ... , N objects }; Disk) is minimized, the optimization function (E 0 ) is minimized (V3); • Encoding the displacement vector ( s )
Figure DE102021203536B3_0113
into a quantum register ( | s )
Figure DE102021203536B3_0114
with the first number (N objects ) of qudits ( | s k k ) ,
Figure DE102021203536B3_0115
where each of the qudits encodes a kth rearrangement in the displacement vector and the dimensionality of the qudits ( | s k k )
Figure DE102021203536B3_0116
is less than, equal to or greater than the respective second number (N Segm ) (V4); • Providing operators ( A ^ i k ) ,
Figure DE102021203536B3_0117
for the the quantum register ( | s )
Figure DE102021203536B3_0118
each is an eigenvector and an eigenvalue of one of the operators ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0119
one of the measured values ( A i k , i { 1, ... , N segment ( k ) } ) ,
Figure DE102021203536B3_0120
including the measurements ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0121
multiple sections (Seg) or machine parts (A k , k ∈ {1, ... , N objects }; Disk), calculated value is (V5); • Combining operators ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0122
to a Hamilton operator (H 0 ), whose expectation value is in the quantum register ( | s )
Figure DE102021203536B3_0123
equal to the value of the optimization function (E 0 ) over the displacement vector ( s )
Figure DE102021203536B3_0124
is (V6); • computing a state of the Hamiltonian (H 0 ) by means of a quantum computing hardware module, a quantum computing inspired classical hardware module or a quantum computing inspired special purpose hardware module (V7); • Decoding at least parts of the calculated state into the optimized arrangement of the machine parts (disk) and reading out the optimized arrangement in order to arrange the machine parts (disk) accordingly (V8).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Optimierungsfunktion (E0) quadratischer Ordnung ist und durch die Formel E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0125
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0126
gegeben ist mit Verschiebungsvektor s ,
Figure DE102021203536B3_0127
Maschinenteilen Ak, k ∈ {1,..., Nobjects}, Messwerten A i k , i { 1, , N Segm ( k ) } , w ( , k , ) : 0 2 { 1, , N Segm ( k ) } , k ter
Figure DE102021203536B3_0128
Eintrag sk ∈ {0,..., Nsegm(k) - 1} des Verschiebungsvektors s
Figure DE102021203536B3_0129
und Konstanten c0, ci,k, ci,j,k,k' ∈ ℝ.
procedure after claim 1 , where the optimization function (E 0 ) is of quadratic order and given by the formula E 0 ( s ) = c 0 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A w ( i , k , s k ) k
Figure DE102021203536B3_0125
+ k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A w ( i , k , s k ) k A w ( i , k ' , s k ' ) k '
Figure DE102021203536B3_0126
is given with displacement vector s ,
Figure DE102021203536B3_0127
Machine parts A k , k ∈ {1,..., N objects }, measured values A i k , i { 1, ... , N segment ( k ) } , w ( , k , ) : 0 2 { 1, ... , N segment ( k ) } , k ter
Figure DE102021203536B3_0128
Entry s k ∈ {0,..., N segm (k) - 1} of the displacement vector s
Figure DE102021203536B3_0129
and constants c 0 , c i,k , c i,j,k,k' ∈ ℝ.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Quantenregister ( | s )
Figure DE102021203536B3_0130
gleich | s : = k = 1 N objects | s k k
Figure DE102021203536B3_0131
ist.
A method according to any one of the preceding claims, wherein the quantum register ( | s )
Figure DE102021203536B3_0130
same | s : = k = 1 N objects | s k k
Figure DE102021203536B3_0131
is.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Operatoren ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0132
durch A ^ i k = m = 1 N Segm ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm ( k )
Figure DE102021203536B3_0133
(63) gegeben sind.
Method according to one of the preceding claims, wherein the operators ( A ^ i k )
Figure DE102021203536B3_0132
through A ^ i k = m = 1 N segment ( k ) A w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment ( k )
Figure DE102021203536B3_0133
(63) are given.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hamiltonoperator (H0) durch H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N Segm ( k ) j = 1 N Segm ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0134
gegeben ist.
Method according to one of the preceding claims, wherein the Hamiltonian (H 0 ) by H 0 = c 0 1 + k = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) c i , k A ^ i k + k , k ' = 1 N objects i = 1 N segment ( k ) j = 1 N segment ( k ' ) c i , j , k , k ' A ^ i k A ^ j k '
Figure DE102021203536B3_0134
given is.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zustand des Hamiltonoperators (H0) mittels eines adiabatischen Quantencomputers berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the state of the Hamilton operator (H 0 ) is calculated by means of an adiabatic quantum computer. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zustand des Hamiltonoperators (H0) auf einem Quantengatter basiertem Quantencomputer berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the state of the Hamiltonian (H 0 ) is calculated on a quantum gate based quantum computer. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei • die Maschinenteile (Disk) NDisks-Scheilben sind, die gestapelt und zu einer Kupplung als Maschinenelement angeordnet werden; • die Abschnitte (Seg) jeder der Scheiben Segmente sind, wobei alle Scheiben die gleiche Anzahl an Segmenten haben; • als Messwerte ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0135
Höhen der Segmente gemessen werden; • eine durch den Verschiebungsvektor ( s )
Figure DE102021203536B3_0136
bewirkte Umordnung Drehungen der Scheiben entspricht; • der Hamiltonoperator (H0) durch H 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks ( A ^ avg A ^ i k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0137
gegeben ist mit A ^ avg : = 1 N Segm j = 1 N Segm 1 N Disks i = 1 N Disks A ^ i j ;
Figure DE102021203536B3_0138
• die optimierte Anordnung gegeben ist durch einen Stapel, für den Abweichungen der über die Scheiben summierten Höhen in jedem Segment minimal sind.
Method according to one of the preceding claims, wherein • the machine parts (Disk) are N Disks which are stacked and arranged to form a clutch as a machine element; • the sections (seg) of each of the slices are segments, with all slices having the same number of segments; • as measured values ( A i k )
Figure DE102021203536B3_0135
heights of the segments are measured; • one through the displacement vector ( s )
Figure DE102021203536B3_0136
rearrangement effected corresponds to rotations of the discs; • the Hamiltonian (H 0 ) through H 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks ( A ^ avg A ^ i k ) ) 2
Figure DE102021203536B3_0137
is given with A ^ avg : = 1 N segment j = 1 N segment 1 N disks i = 1 N disks A ^ i j ;
Figure DE102021203536B3_0138
• the optimized arrangement is given by a stack for which deviations of the heights summed over the slices are minimal in each segment.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Hamiltonoperator (H0) durch H 0 = i = 1 N Segm ( k = 1 N Disks B ^ i k ) 2
Figure DE102021203536B3_0139
= k , k ' = 1 N Disks i = 1 N Segm B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0140
gegeben ist mit B ^ i k = m = 1 N Segm B w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, , k 1, k + 1, , N Segm
Figure DE102021203536B3_0141
und B i k = A avg A i k .
Figure DE102021203536B3_0142
procedure after claim 8 , where the Hamiltonian (H 0 ) is given by H 0 = i = 1 N segment ( k = 1 N disks B ^ i k ) 2
Figure DE102021203536B3_0139
= k , k ' = 1 N disks i = 1 N segment B ^ i k B ^ i k '
Figure DE102021203536B3_0140
is given with B ^ i k = m = 1 N segment B w ( i , k , m ) k | m m | k 1 1, ... , k 1, k + 1, ... , N segment
Figure DE102021203536B3_0141
and B i k = A avg A i k .
Figure DE102021203536B3_0142
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei • eine dritte Anzahl NE an Maschinenelementen bereitgestellt wird; • eine Gesamtmenge D an Maschinenteilen die Mächtigkeit i = 1 N E N object ( i )
Figure DE102021203536B3_0143
hat, wobei Nobjects(i) die Anzahl der Maschinenteile für das Maschinenelement i ist für alle i ∈ {1, ..., NE}; • eine gemeinsame Partition P : D → {1, ... , NE} bestimmt wird, wobei die Partition eine Zuordnung der Maschinenteile auf die Maschinenelemente ist und wobei die Mächtigkeit |P-1(i)| gleich der Anzahl Nobjects(i) an Maschinenteilen für das Maschinenelement i ist für alle i ∈ {1,..., NE}.
Method according to one of the preceding claims, wherein • a third number N E of machine elements is provided; • a total amount D of machine parts the thickness i = 1 N E N objects ( i )
Figure DE102021203536B3_0143
where N objects (i) is the number of machine parts for machine element i for all i ∈ {1,..., NE }; • a common partition P : D → {1, ... , N E } is determined, where the partition is an assignment of the machine parts to the machine elements and where the size |P -1 (i)| is equal to the number N objects (i) of machine parts for the machine element i for all i ∈ {1,..., N E }.
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