Serie: Quantentechnologien

Das Fraunhofer IIS macht die Welt der Quantentechnologien für die Anwendung nutzbar. Durch unsere Expertise in den Bereichen Hardware und Algorithmik sind wir ein wichtiger Lieferant für Know-how, das für die Entwicklung und praktische Umsetzung von Quantentechnologien, wie einem nutzbaren Quantencomputer, nötig ist. Darüber hinaus engagieren wir uns in der Quantensensorik für wesentlich genauere Messungen als bisher und in der Quantenkommunikation für eine sichere Informationsübertragung.

Für hochkomplexe Forschung lohnt es sich, einen Use Case zu haben. Denn das wirkt zielführend für den gesamten weiteren Entwicklungsprozess. Alex Goeßmann und Martin Braun von der DATEV eG bringen genau den mit: Sie möchten Entscheidungen und Lösungsansätze von Computern durch Quantentechnologie optimieren und beschleunigen, zum Beispiel beim Maximum Cut in der Graphentheorie. Zusammen arbeiten Sie mit Fritz Wagner vom Fraunhofer IIS im Projekt QuaST an diesem Ziel: Die DATEV liefert Anwendungsbeispiele und Problemstellungen, Fraunhofer quantenwissenschaftliche Expertise und Problemlösungen. Im Podcast erklären die Wissenschaftler, wie die Zusammenarbeit funktioniert, welche Vorteile sich dadurch ergeben, und wie die Zukunft der Quantentechnologien aussieht.

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Für hochkomplexe Forschung lohnt es sich, einen Use Case zu haben. Denn das wirkt zielführend für den gesamten weiteren Entwicklungsprozess. Tanja Döhler, Data Scientist von der DATEV eG, einem Softwareanbieter für Steuerberatung und Wirtschaftsprüfung bringt genau den mit: Sie möchte die zukünftige Performance von DATEV-Produkten anhand verschiedener Variablen ermitteln. Zusammen mit der Wirtschaftsmathematikerin Claudia Ehrig vom Fraunhofer IIS arbeitet Sie im Projekt QuaST im Zuge dessen daran, Zeitreihen mithilfe von Quantenalgorithmen zu prognostizieren. Im Podcast erklären die beiden Forscherinnen, warum das für den Use Case nötig ist, wie die Technologie funktioniert, und welche Benefits zu erwarten sind.

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Noch sind sie Experimente im Labor – doch sollen Quantencomputer schon bald alltäglich werden. Elementar dafür ist eine Skalierung, also eine »Vergrößerung« der Rechner. Derzeit umfassen diese nur einige wenige Quanten-Bits, genannt Qubits. Mit der Entwicklung des Prototyps eines 400-Qubit-Quantencomputers eröffnet ein großes Forscherteam aus zahlreichen Institutionen nun eine mittelfristige Perspektive. Forschende des Fraunhofer IIS haben dabei sowohl die Skalierung als auch die hohe Qualität der Qubit-Ansteuerung im Blick. 

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Quantencomputer sind bislang Laboraufbauten, die mit einer Handvoll Qubits arbeiten. Sollen sie sich einen Weg in die Alltagsanwendung bahnen, erfordern sie umfangreiches Equipment und müssen Millionen Recheneinheiten umfassen. Eine Ansteuerung über Laborgeräte ist da keine Option. Im Projekt SHARE arbeiten Forschende des Fraunhofer IIS daran, die Qubits über Chips anzusteuern.

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Wenige Technologien versprechen einen solch gewaltigen Entwicklungssprung wie die der Quanten. Gleichzeitig sind wenige Technologien derartig komplex und vielschichtig. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, Kompetenzen, Know-How und Kräfte zu bündeln, um diese vielversprechende Zukunftstechnologie in eine effiziente Anwendbarkeit zu überführen. Um einen wirklichen Nutzen aus Quantencomputern (QC) zu ziehen, ist es notwendig auch die passenden Werkzeuge und Dienstleistungen zu entwickeln. Die Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen und der DATEV AG innerhalb des Projekts QuaST basiert genau auf diesem Gedanken.

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Quantencomputer sind seit einigen Jahren die große Hoffnung von Wissenschaft und Wirtschaft. Basierend auf einer Technik, die statt mit Bits mit sogenannten Qubits rechnet, kann ein Quantencomputer Berechnungen nicht nur schneller lösen, sondern auch Probleme lösen, die komplexer sind. Zukünftig sollen Quantencomputer zum Beispiel berechnen können, wie das Universum entstanden ist und Verschlüsselungen knacken, für die bisherige Computer viel zu langsam sind. Auch für die Fraunhofer-Gesellschaft ist Quantencomputing ein wichtiges Forschungsfeld. Das Fraunhofer IIS erforscht etwa, wo Quantencomputing in der Industrie sinnvoll zum Einsatz kommen kann.

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Noch stecken Quantencomputer in den Kinderschuhen: Viele offene Fragen sind zu klären. Wie beispielsweise teilt man den kleinen Recheneinheiten – Quantenbits oder Qubits genannt – mit, was sie tun sollen? Wie liest man ihre Ergebnisse aus? Die nötige Elektronik für dieses Ansteuern und Auslesen der Quantenbits entwickeln Forschende des Fraunhofer IIS. So arbeiten sie im Projekt SHARE daran, künftig hunderte Qubits mit einem einzigen Breitbandkabel ansteuern zu können. Bisher sind für jedes Qubit vier Kabel nötig. Ein weiterer Teil des Projekts SHARE liegt in der Abschirmung von Qubits, die auf neutralen Atomen basieren.

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Quantencomputer können kniffelige Problemstellungen schneller lösen als jeder herkömmliche Hochleistungsrechner. Vorteile versprechen sie daher künftig bei aufwändigen Optimierungen in der Logistik oder der Produktion. Doch damit das funktioniert, muss die Hardware eines Quantencomputers erst beherrschbar gemacht werden. Ein Forschungsfeld, dem sich das Fraunhofer IIS widmet – etwa im Projekt SHARE.

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Das Fraunhofer IIS arbeitet an den Technologien der Zukunft. Einen gewaltigen Sprung verspricht das Quantencomputing. Speziell im Bereich des Quantum Machine Learning (QML) wird dabei am Fraunhofer IIS erfolgreich geforscht. Worum es sich bei QML eigentlich handelt, wie weit diese Forschung inzwischen fortgeschritten ist und inwiefern man Ergebnisse schon anwenden kann, erfahren sie in diesem Interview.

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Grundlagen und Projekte der am Fraunhofer IIS behandelten Quantentechnologien kurz präsentiert

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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.

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