Quantentechnologien

Am Fraunhofer IIS machen wir die besonderen Eigenschaften der Quantenwelt für die Anwendung nutzbar. Dabei sind wir auf drei wesentlichen Gebieten aktiv, dem Quantencomputing, der Quantenkommunikation und der Quantensensorik, wobei die beiden erstgenannten unsere aktuellen Schwerpunkte bilden. 

Unsere herausragende Stärke ist, dass wir mit unserer Expertise sowohl die nötige Hardware und als auch Algorithmen entwickeln und jetzt schon in zukünftigen Anwendungen denken.

Wir designen und entwickeln elektronische Komponenten für die effiziente Kontrolle und Manipulation von Quantensystemen. Dazu zählen Komponenten aus dem Hoch- und Höchstfrequenzbereich sowie schnelle Elektronik für die Verarbeitung in Echtzeit. Zudem bringen wir unsere Expertise in der Schaltungsintegration und Nachrichtenübertragung ein, um elektronische Systeme für höchste Qubit-Skalierbarkeit und Ansteuergüten zu entwickeln. Dabei betrachten wir auch Schnittstellen zur Algorithmik bis hin zur Anwendung.

Hardware:

• Design und Entwicklung elektronischer Komponenten für die effiziente Kontrolle und Manipulation von Quantensystemen, darunter Komponenten aus dem Hoch- und Höchstfrequenzbereich, kryogene Elektronik sowie schneller Elektronik für die Verarbeitung in Echtzeit.
• Entwicklung elektronischer Systeme für die höchste Qubit-Skalierbarkeit und Ansteuergüten unter Betrachtung von Schnittstellen zur Algorithmik und zu höheren Schichten.
• Angepasste Entwurfsmethoden für die Nanoelektronik (ADC, DAC, Chiplet-Schnittstelle) auf Basis höchstintegrierter Halbleiter- und Integrationstechnologien
• Hardware für die Quantenkommunikation: Bereitstellung einer Test- und Benchmarking-Umgebung durch Entwicklung eines prototypischen Quantenkommunikations-Aufbaus

Algorithmik und Quantencomputing-Software:

• Entwicklung hybrider Algorithmen, die Quantenrechner und klassische Computer nutzen (für Quantum Machine Learning, kombinatorische Optimierung)
• Entwicklung und Analyse von Algorithmen im Bereich des Quantencomputing-gestützten maschinellen Lernens (z.B. Reinforcement Learning, time series forecasting)
• Entwicklung von maschinellen Lernverfahren (z.B. mittels Reinforcement Learning) zur Automatisierung des Quantenschaltkreisdesigns
• Lösung von Optimierungsproblemen, die bei der Nutzung des Quantencomputers selbst auftreten (z. B. bei der Übersetzung eines Quantenalgorithmus in konkrete Quantenhardware).

Anwendungsgebiete für Quantencomputing:

• Quantencomputing für die Anwendung in Sensorik und Bildgebung. Entwicklung neuartiger QC-Algorithmik und Software für die Anwendung des Quantencomputings im Kontext komplexer Sensorik (z.B. zur Datenauswertung sowie zur QC-optimierten Sensorik).
• Quantencomputing für komplexe Planungsfragestellungen im Bereich der Optimierung und Prognose von Prozessen in Logistik, Handel und Produktion.Quantencomputing für die Verbesserung von Mobilfunk-Anwendungen in der Übertragung und Lokalisierung in der aufkommende 5G oder auch zukünftige 6G Technologie. Ebenso Regelungsoptimierung in der Prozessindustrie, sowie den Einsatz verteilter Automatisierungssysteme in der Smart Factory.

Wir entwickeln modulare Nanoelektronik für die Quantenkommunikation und bringen hier unter anderem folgende Kompetenzen ein:

• Konzeption einer modularen Mikroelektronik-Plattform für den Quantenschlüsselaustausch
• Angepasste Designmethoden für Basiskomponenten (ADC, DAC, Chiplet-Interface) der Quantenkommunikationssysteme
• Entwicklung von leistungsfähiger und zuverlässiger Nanoelektronik
• Aufbau des Applikationszentrums »Design skalierbarer Elektroniksysteme für die Quantenkommunikation«
• Erstellen und Betreiben physischer Quantenkommunikationslinks zu Partnerinstituten, in Vorbereitung eines Netzes in Deutschland (mittelfristig)

Mit unserer Forschung tragen wir insbesondere zur Entwicklung der notwendigen elektronischen Komponenten für die Quantenkommunikation bei. Höchste Leistungsfähigkeit, ihr universeller Einsatz sowie die Miniaturisierung dieser Systeme stehen im Fokus.

Etwa 100 Jahre nachdem die Entwicklung der Quantentheorie durch Forscher wie Max Planck, Werner Heisenberg oder Erwin Schrödinger unser Verständnis der Physik revolutioniert hat, sind wir heute technisch so weit fortgeschritten, dass wir dieses Wissen auch technologisch anwenden können.

Es geht dabei darum, gezielt kleinste Teilchen und deren Eigenschaften zu kontrollieren und für verschiedenste Anwendungen zu nutzen. Für solch kleine Systeme gelten die Gesetze der Quantenmechanik, deren Besonderheiten unserer physikalischen Intuition völlig zuwiderlaufen.

Nach vielen Jahren der Grundlagenforschung stehen wir nun am Beginn der »zweiten Quantenrevolution«, die weitreichende Folgen für Wirtschaft, Wissenschaft und Technik haben wird.