Quantentechnologien

Enablingtechnologien und Algorithmen für das Quantencomputing

Quantentechnologien am Fraunhofer IIS

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.

Quantencomputing am Fraunhofer IIS

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.

Quantenkommunikation am Fraunhofer IIS

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.

Quantentechnologien: die Kunst, kleinste Teilchen zu kontrollieren und zu nutzen

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. 

Wichtige Begriffe und Definitionen

Ein Quantencomputer ist ein Computer, der Quantenphänomene nutzbar macht. Er kann bestimmte Probleme deutlich schneller lösen als jeder Supercomputer. Zu den möglichen Anwendungen zählen aufwändige Optimierungen z.B. in Logistik, Produktion oder Finanzwesen; effiziente Simulationen für Chemie, Pharmazie, Nanotechnologien oder quanten-gestütztes maschinelles Lernen. Durch eine Anbindung an Rechenzentren oder spezielle Clouds können verschiedenste Unternehmen und Wissenschaften von dieser Technologie profitieren. 

Ein Qubit ist die grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers. Sie ermöglicht es, Informationen nicht nur im Binärcode entweder als »0« oder »1«, sondern auch als beliebige Kombination (sog. Superposition) zu speichern und zu verarbeiten. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Qubits physikalisch umzusetzen wie z.B. in supraleitenden Schaltungen, Ionenfallen oder Photonen. 

Dekohärenz: Ein Quantenzustand ist sehr empfindlich gegenüber Störeinflüssen aus seiner Umgebung. Den Vorgang, wie er über verschiedene Kanäle mit der Zeit » zerfällt«, bezeichnet man als Dekohärenz. Daher müssen Qubits technisch aufwändig isoliert werden; unter anderem, indem man sie bis nahe zum absoluten Nullpunkt abkühlt. 

Quantum measurement and control: An der Schnittstelle zwischen Quantenprozessor und der klassischen Steuerelektronik bedarf es spezialisierter, integrierter Mikroelektronik. Diese soll z.B. einzelne Qubits eines Quantencomputers ansteuern und auslesen. Die Hardware muss hohen Anforderungen an Geschwindigkeit, Güte und geringer Verlustleistung genügen.

Die Quantenkommunikation erfolgt über ein Kommunikationssystem »verschränkter« Photonen, bei dem sich ein Abhörversuch sofort bemerkbar macht. Der Austausch funktioniert mit speziellen Geräten über Glasfaser, bei über kurzen Distanzen über Freiluft-Laserstrahlen, oder Satelliten. Die Vision ist der Aufbau eines abhörsicheren Netzwerkes für kritische Infrastruktur, staatliche Einrichtungen, Unternehmen oder auch Privatanwender. 

Quantensensorik: Die empfindliche Natur von Quantenzuständen lässt sich nutzen, um hochempfindliche Sensoren zu bauen. Das Ziel ist, sie so weit zu integrieren, dass sie für viele medizinische, technische oder wissenschaftliche Anwendungen nutzbar werden. Eine bereits etablierte Anwendung für die präzise Zeitbestimmung ist die Atomuhr.

Weiterführende Informationen

Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

QBits verstehen und anwenden: Die Fraunhofer-Gesellschaft hat seit Januar 2021 exklusiven Zugriff auf einen Quantenrechner, der durch IBM am Standort Ehningen (Baden-Württemberg) betrieben wird. Damit beginnt in Deutschland eine neue Technologie-Ära, die Akteurinnen und Akteure aus Forschung und Industrie vernetzt, neue Kompetenzen für Quantencomputing schafft und der praktischen Anwendung für QBits den Weg bereitet. Fraunhofer ermöglicht auch externen Partnerinnen und Partnern, wie etwa Universitäten oder Unternehmen Zugriffsmöglichkeiten.

Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld »Quantentechnologien«

Die sieben Fraunhofer Strategischen Forschungsfelder bilden die Schwerpunkte des Forschungsportfolios der Fraunhofer-Gesellschaft. Im Forschungsfeld Quantentechnologien finden Sie die Kompetenzen und Aktivitäten der Fraunhofer-Institute gebündelt dargestellt.

Munich Quantum Valley

Gemeinsam mit anderen namhaften Einrichtungenaus Wissenschaft und Forschung sind wir in der Allianz Munich Quantum Valley (MQV) aktiv. Dort bündeln wir unsere Kompetenzen und arbeiten gemeinsam in den Bereichen Forschung, Entwicklung und Ausbildung, damit Bayern, Deutschland und Europa auf dem Zukunftsgebiet der Quantenwissenschaft und der Quantentechnologien eine führende Rolle einnehmen. 

 

Quantum Business Network QBN

Das Fraunhofer IIS ist Mitglied im Quantum Business Network QBN. Dort arbeiten Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik für den technologischen Fortschrit auf dem Gebiet der Quantentechnologien zusammen.