Landeskompetenzzentrum QAPPS – Was ist das und wie funktioniert es?

Quantencomputer eröffnen revolutionäre Möglichkeiten in einer breiten Anwendungspalette

Das Quantencomputing stellt eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts dar, indem es durch die Verwendung zweier quantenphysikalischer Prinzipien ein stärkeres Berechnungsmodell als die klassische Bit-basierte Computerarchitektur liefert. Mit diesen „besseren“ Computern werden deutlich schnellere und effizientere Lösungen in Fragen der Simulation, des maschinellen Lernens und der Optimierung ermöglicht. Darüber hinaus werden Probleme gelöst, die bisher aufgrund ihrer Komplexität als unlösbar galten. Diese eröffnete Entwicklung wesentlich effizienterer Lösungswege besitzt eine hohe Relevanz für die Logistik, Finanz- und Energiesektoren und für Ingenieur- und Materialwissenschaften. Potenziell bietet die Technologie des Quantencomputings demnach einen großen wirtschaftlichen Nutzen, in einer breitgefächerten Palette von Anwendungen.

Was macht das Quantencomputing so besonders?

Beim Quantencomputing tritt an die Stelle des „klassischen“ Bits als grundlegende Informationseinheit das Quantenbit – kurz Qubit. Genau wie das Bit kann es die Zustände 0 oder 1 annehmen. Darüber hinaus – und das ist das Neue – können beide Zustände gleichzeitig sowie alle Überlagerungen von ihnen angenommen werden. Diese Überlagerungen werden auch als Superpositionszustände bezeichnet. Neben der Superposition ist die Verschränkung ein zweites wichtiges Prinzip der Quantenphysik. Zwischen Qubits kann eine spezielle Wechselwirkung hergestellt werden, sodass mit der Manipulation eines Qubits alle Partner beeinflusst werden. Dadurch wird mit einer bestimmten Anzahl von Qubits eine exponentiell größere Informationsmenge verarbeitet als mit der identischen Anzahl von Bits. Zudem werden viele mögliche Lösungen eines Problems gleichzeitig ausgewertet und die beste herausgefiltert.

Ähnlich wie Bits zu logischen Schaltungen zusammengefügt werden können, mit welchen letztendlich gerechnet wird, lassen sich Qubits mit Quantengattern zu Schaltkreisen verbinden. Diese Schaltkreise implementieren spezielle Algorithmen auf dem Quantencomputer. Die Verfahren bauen im Wesentlichen entweder auf Quanten-Suchalgorithmen (bekannt ist der „Grover-Algorithmus“) oder auf der Quanten-Fourier-Transformation auf. Mit dieser lassen sich beispielsweise große Gleichungssysteme merklich schneller lösen als es bisher möglich ist. Zusammengefasst vereinfachen sich viele Probleme in ihrer Fourier-transformierten Version, die sich nun besonders effizient verarbeiten lässt.

Der Startschuss in Deutschland ist gefallen

Das Startprojekt “Quantencomputing“ wurde vom Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft initiiert, um diese neue Technologie in Deutschland voranzubringen. Ziel ist es, von vornherein dabei zu sein und neue Lösungen und quantenbasierte Berechnungsstrategien für angewandte und wirtschaftsrelevante Problemstellungen zu entwickeln. Als wichtiger Schritt wurde im Februar 2021 mit einem IBM-Quantencomputer („IBM Q System One“) im baden-württembergischen Ehningen die erste europäische Quantenplattform in Betrieb genommen. Sie wird unter deutschem Recht verwaltet. Darüber hinaus besteht über einen Kooperationsvertrag mit IBM der Cloud-Zugriff auf weitere Quantencomputer in den USA. Als primäre Anlaufstelle für Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Deutschland, die am Quantencomputer forschen und entwickeln wollen, wurde das Fraunhofer Kompetenznetzwerk Quantencomputing eingerichtet. Es hilft insbesondere den Unternehmen beim Aufbau von Fachkompetenzen. Aus diesem Netzwerk bilden sich einzelne Landeskompetenzzentren mit speziellen Schwerpunkten heraus.

QAPPS bringt das Quantencomputing nach Sachsen 

Mit dem Schwerpunkt im angewandten Quantencomputing entsteht eines dieser Landeskompetenzzentren in Sachsen und firmiert unter der Bezeichnung „QAPPS“ (Quantum Applications Saxony). Das Fraunhofer IWU agiert hierbei in Kooperation mit sächsischen Universitäten und Fraunhofer-Instituten an den Standorten Dresden, Leipzig und Görlitz in Projekten mit dem Fokus auf industrieller Anwendung in Zusammenarbeit mit regionalen Firmen. Neben der Analyse und Umsetzung konkreter Anwendungsbeispiele geht es ebenso um die Entwicklung von Ausbildungskonzepten zur Generierung neuer Fachkräfte. Außerdem sollen Schulungen von Industriepartnern im Umgang mit dieser neuen Technologie ermöglicht werden.

Im Rahmen des Startprojekts Quantencomputing werden am Fraunhofer IWU bereits für erste Szenarien die Anwendbarkeit auf der aktuellen IBM-Quantenhardware evaluiert. In diesem Rahmen werden deren theoretische Speedups im Vergleich zu klassischen Methoden beleuchtet. Dazu wurden Modellbeispiele, etwa zu einer FEM als Quantenverfahren und Clusteringalgorithmen sowie im Themenfeld der sogenannten „Quantum Approximative Optimization Algorithms“ getestet. Zudem werden Einflussstärken verschiedener Faktoren in mehrstufigen Prozessketten von Bohr- und Fräsoperationen mithilfe von quantisierten Bayes’schen Netzen untersucht.

Zur Homepage des QAPPS-Landeskompetenzzentrum gelangen Sie hier.

Titelbild: © IBM