Effizienter, schneller, leistungsstärker: Quantencomputing für die industrielle Anwendung

Auch, wenn Quantencomputing noch nicht im alltäglichen Gebrauch angekommen sind: Das Fraunhofer IIS forscht schon heute anwendungsbezogen an den entsprechenden Technologien von morgen, um Quantencomputer praxistauglich zu machen. Dabei liegt der Fokus auf den konkreten Bedürfnissen der Wirtschaft, damit das hohe Potenzial dieser Zukunftstechnologie künftig praktisch genutzt werden kann.

Quantentechnologien gelten als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern rechnet der Quantencomputer nicht mit den Werten Null und Eins, sondern berechnet eine Überlagerung von Lösungen. Der Vorteil: Er kann als Beschleuniger für schwere praxisrelevante Berechnungsprobleme eingesetzt werden und ist in der Berechnung wesentlich effizienter als konventionelle Hochleistungsrechner. Einen großen Schritt in Richtung praktische Anwendung erfährt der Quantencomputer vor allem dadurch, dass am Fraunhofer IIS sowohl an der Hardware- als auch der Softwareentwicklung geforscht wird. 

Quanten im Dienst der Wirtschaft:
Soft- und Hardwareforschung aus einer Hand

Bei Fraunhofer ist es generell Usus, in zukünftigen Anwendungen zu denken. Doch wie lassen sich die Potenziale von Quantencomputing konkret seitens der Industrie nutzen? Genau das untersucht das neue Bayerische Kompetenzzentrum Quanten Security and Data Science BayQS, das zum Beispiel Quantenalgorithmen zur Verbesserung von Mobilfunkübertragung entwickelt. Mit dem IBM Q System One Quantencomputer mit 27 Qubits – dem ersten System dieser Art in Europa – forschen die Fraunhofer-Gesellschaft und ihre Projektpartner an relevanten Fragestellungen wie der Auswertung komplexer Sensorik. Im Einsatz ist dieser Quantencomputer im Projekt QLindA: Gemeinsam mit der Siemens AG, IQM Germany und der Ostbayerische Technischen Hochschule Regensburg (OTH) werden Quantenalgorithmen für das Reinforcement Learning entwickelt, wovon Automatisierungssysteme in der Smart Factory oder die Produktionsplanung profitieren könnten. Im Rahmen des Munich Quantum Valley (MQV) sollen dagegen Komponenten für Quantencomputer, die auf drei verschiedenen Technologien basieren, entwickelt werden: Supraleitung, Neutralatome und Ionenfallen. Das Fraunhofer IIS ist hier federführend am Konsortium K6 (SHARE) beteiligt, ebenso an den Projekten MUNIQC-ATOMS und MUNIQC-SC. Für die Bereitstellung von Werkzeugen zur effizienten Nutzung der heute verfügbaren Quanten-Hardware-Ressourcen werden am Fraunhofer IIS im Rahmen des MQV-Konsortiums K7 (QACI) sowie im QuaST-Projekt in Zusammenarbeit mit Industriepartnern wie DATEV entsprechende Methoden und Algorithmen erforscht. Fraunhofer bündelt interdisziplinäre Kompetenzen aus verschiedenen Forschungseinrichtungen und deckt damit die gesamte Entwicklung ab, von der Algorithmik über die Elektronik bis zu den eigentlichen Quantensystemen. Kurzum: Das Fraunhofer IIS eröffnet der Zukunftstechnologie Quantencomputer einen Weg in die Anwendung.

Sicherheit in der Informationsübertragung durch Quantenkommunikation

Grundsätzlich unterscheidet die Welt der Quanten mehrere Forschungsbereiche; neben dem Quantencomputing ist der zweite aktuelle Schwerpunkt in der Fraunhofer-Forschung die Quantenkommunikation. Ein praktisches Beispiel zur Veranschaulichung: Das große Potenzial eines Quantencomputers zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme ließe sich bei der Fahrplan-Planung der Deutschen Bahn nutzen. Allerdings birgt die neue Art der Rechner auch die Gefahr, dass sich gängige Verschlüsselungen mit Hilfe der neuartigen Technologien leicht und schnell knacken lassen. Entsprechend soll die Quantenkommunikation eine sichere Informationsübertragung erlauben. Das Prinzip: Werden Informationen mittels Quantenzuständen übertragen, lässt sich erkennen, ob jemand mithört. Schaltet sich unerlaubt jemand zu, zerstört er damit den ursprünglichen Quantenzustand und verändert das System – was prompt erkannt wird.