Das Quantenjahr 2025: Wie das Fraunhofer IIS die Quantenwelt nutzbar macht

Ein Jahrhundert ist es her, dass Pioniere wie Werner Heisenberg und Niels Bohr mit der Formulierung der Quantenmechanik unser Verständnis der Welt revolutionierten. Diese »erste Quantenrevolution« legte den Grundstein für Technologien wie Laser oder Transistoren, die heute nicht mehr wegzudenken sind. 

Heute stehen wir an der Schwelle zur »zweiten Quantenrevolution«: der gezielten Nutzung der besonders rätselhaften Eigenschaften der Quantenwelt für die Anwendung. Doch wie verwandelt man komplexe Quanteneffekte in beherrschbare Werkzeuge für die Industrie? Genau hier setzt das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS an. Denn ohne hochintegrierte Steuerungselektronik, intelligente Algorithmen und umfassendes Systemwissen bleibt das enorme Potenzial der Quanten ein reines Laborphänomen. Die Mission des Fraunhofer IIS: die entscheidenden Technologien für die Quantenwelt anhand von zwei zentralen Schwerpunkten zu liefern.

Schwerpunkt 1: Quantencomputing – Die Rechenrevolution

Viele der drängendsten Probleme unserer Zeit sind für heutige Supercomputer schlicht zu komplex. Quantencomputer versprechen, diese Grenzen zu sprengen. Die besondere Stärke des Fraunhofer IIS liegt darin, nicht nur an einer Stellschraube zu drehen, sondern das gesamte System im Blick zu haben – von der Hardware über die Algorithmen bis zur fertigen Anwendung.

Auf der Hardware-Ebene benötigt man für einen funktionalen Quantencomputer vor allem eins: Die Recheneinheiten Qubits. Im Verbund forscht das Fraunhofer IIS deshalb an der Entwicklung eines 400-Qubit-Quantencomputer-Prototyps. Dabei stellen die Forschenden des IIS sicher, dass nicht nur die schiere Anzahl wächst, sondern vor allem die hohe Qualität der Qubit-Ansteuerung erhalten bleibt. Erst dieses Zusammenspiel aus Masse und Klasse ermöglicht die Rechenrevolution. 

Um diese wachsende Rechenleistung überhaupt nutzbar zu machen, schlägt das Fraunhofer IIS die entscheidende Brücke zwischen Hardware und Anwendung. Dies gelingt durch die Quantenalgorithmik. Dabei entwickeln Forschende innovative Methoden, um komplexe Probleme in eine Sprache zu übersetzen, die ein Quantencomputer nutzen kann. Das IIS erforscht beispielsweise, wie sich Quantenalgorithmen für die industrielle Bildgebung einsetzen lassen. So könnte die Rekonstruktion bei der industriellen Computertomographie (CT) drastisch beschleunigt werden, was eine schnellere und zugleich präzisere Fehlererkennung direkt in der Fertigungslinie ermöglicht. Enormes Potenzial der Technologie zeigt sich auch in der Pharmazie und Materialwissenschaft, wo die aufwendige Simulation von Molekülen beschleunigt und so die Entwicklung neuer Medikamente vorangetrieben werden kann. Das IIS erforscht zudem den Einsatz von modernen Verfahren der künstlichen Intelligenz zur Leistungssteigerung von Quantencomputern, um möglichst frühzeitig wirtschaftlich relevante Probleme adressieren zu können.

Schwerpunkt 2: Quantenkommunikation –  Datensicherheit der Zukunft

Ein leistungsfähiger Quantencomputer würde das Fundament unserer digitalen Sicherheit erschüttern und könnte heute gängige Verschlüsselungsverfahren wie RSA obsolet machen. Sichere Internetverbindungen und digitale Signaturen wären auf einen Schlag angreifbar.

Die Quantenkommunikation bietet hier die Lösung: einen physikalischen Schutzschild, dessen Sicherheit direkt auf den Gesetzen der Quantenphysik beruht. Um diese Technologie aus dem Labor in die Praxis zu überführen, wurde am Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme in Dresden ein Applikationszentrum etabliert. Hier werden mikroelektronische Schaltungen entwickelt, um Quantenkommunikationssysteme flexibel und kostengünstig zu realisieren. Der wirtschaftliche Nutzen für den Schutz kritischer Infrastrukturen und geistigen Eigentums ist immens – und eine entscheidende Voraussetzung für die digitale Souveränität der Zukunft.

Im Quantenjahr und darüber hinaus: Die Realität von Morgen gestalten

Die zweite Quantenrevolution erfordert Partner, die den Weg von der Forschung in die Anwendung kennen. Mit seiner durchgängigen Expertise in den beiden Schwerpunkten Quantencomputing und Quantenkommunikation ist das Fraunhofer IIS genau dieser Partner. Es bietet nicht nur Einblicke, sondern Werkzeuge, die aus dem enormen Potenzial der Quanten anwendungsbezogene Lösungen machen.