Die Welt des Quantencomputing

Quantencomputing bei Fraunhofer

Was versteht man eigentlich unter Quantencomputing? Was sind Qubits?

Quantencomputer haben das Potenzial, Informationen schneller zu verarbeiten und komplexere Probleme zu bewältigen als klassische digitale Computer. Quantenbasierte Rechner können Berechnungen deutlich schneller als herkömmliche durchführen; das liegt daran, dass sie quantenmechanisch verschränkte Elementarteilchen wie Elektronen oder Photonen als Informationseinheit nutzen: Qubits.

Qubits können nicht nur – wie klassische Bits – die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern gleichzeitig auch alle dazwischen. So können komplexe Aufgaben parallel statt linear bearbeitet werden. Quantenrechner sollen so künftig Probleme in Sekunden lösen, für die bisherige Computer Jahre brauchen.

Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

Charlie und die Quantenfabrik


Tauchen Sie spielerisch in das Thema "Quantencomputing" ein!  

Das Fraunhofer AISEC hat im Rahmen des Lernlabor Cybersicherheit mit “Charlie und die Quantenfabrik” ein Serious Game entwickelt. In der Rolle der Forscherin Charlie lernen Sie Grundbegriffe und Funktionsweise der Quantencomputer kennen und machen zudem Bekanntschaft mit Katzen und Robotern, die Ihnen auf Ihrem Weg durch das Spiel  begegnen. Die Spieldauer beträgt in etwa 30 Minuten.

Sie können direkt mit dem Spielen los legen, da keine Installation nötig ist. 
Viel Spaß beim Spielen! 

Zum Spiel!

Neben Serious Games bietet das Lernlabor Cybersicherheit auch maßgeschneiderte Schulungen und individuelle Trainingskonzepte in unterschiedlichen Formaten an - von Trainings zu Grundlagen bis hin zu Weiterbildungen für Expert*innen.
Melden Sie sich mit Ihren Wünschen einfach bei uns!

In welchen Branchen findet die Quantencomputing Technologie Anwendung?

Branchen

Medizin

Hier ermöglicht Quantencomputing beispielsweise die effizientere Entwicklung von Medikamenten oder die Verbesserung von Diagnoseverfahren.

Chemie, Pharmazie, Materialwissenschaften

Mithilfe der Simulation von Molekülen könnten in Zukunft beispielsweise gezielt Katalysatoren entwickelt werden, die chemische Produktionsverfahren effizienter machen. 

Logistik

Ein optimaler Verkehrsfluss entlastet Straßen und andere Transportwege. Quantenalgorithmen können angewandt werden, um beispielsweise ideale Mobilfunknetzstrukturen zu ermitteln oder für Krankenhäuser medizinische Ressourcen optimal zu verteilen. 

Ingenieurwesen

Auch das Ingenieurwesen profitiert besonders im Bereich der Optimierung – zum Beispiel, wenn Materialien mit bestimmten Eigenschaften benötigt werden und dabei ein Abwägen zwischen Stabilität und Gewicht stattfindet. 

Finanzwirtschaft

Im Finanzwesen lassen sich Risikoanalysen und Portfolio-Optimierungen mit Quantencomputing in Zukunft schneller realisieren. Auch die Erkennung und Prognose von Betrugsversuchen und lässt sich durch Quantencomputing effizienter sicherstellen.

IT-Sicherheit

Leistungsfähigere Rechner können sichereren Datentransfer und  bessere abhörsichere Kommunikationsnetze ermöglichen. Wichtig wird an dieser Stelle die Frage nach der Post-Quanten-Sicherheit, also inwiefern es durch Quantencomputer auch neue Herausforderungen in der IT-Sicherheit geben wird.

Dr. Nikolay Tcholtchev

„An Quantencomputing faszinieren mich die vielen unentdeckten Potentiale und Möglichkeiten für die Anwendung in der Industrie und in unserem Alltag."

Dr.-Ing. Nikolay Tcholtchev (PhD), wissenschaftlicher Mitarbeiter und u.a. Projektleiter im Bereich Quality Engineering für Quantencomputing betreut  die Bereiche Quantum Computing und Quantum Programmierung, Qualitätssicherungsprozesse für Quantum Computing, Quantum DevOps, Benchmarking und Einbettung von Quantum Algorithmen in bestehende Prozesse und Schnittstellen am Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS).

"Wer glaubt die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden."

Dieser Ausspruch, den man Richard Feynman zuschreibt, stimmt auch heute noch. Dennoch arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen täglich daran der Lüftung dieses Geheimnisses näher zu kommen. So auch Barbora Hrdá (M.Sc.), wissenschaftliche Mitarbeiterin und Projektleiterin am Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit (AISEC) in Garching bei München. Der Fokus ihrer Arbeit im Bayerischen Kompetenzzentrum Quanten Security und Data Science (BayQS) umfasst Sicherheit durch, mit und trotz Quantencomputing. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf Methoden, die die Vertraulichkeit und Integrität der Datenverarbeitung auf Quantencomputern (QC) und QC Plattformen sicherstellen.


„Am Quantencomputing fasziniert mich das neuartige Berechnungsmodell und dessen Einsatzmöglichkeiten in der Forschung und der Industrie.“

Daniel Müssig (M.Sc.) ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter am Institutsteil Angewandte Systemtechnik (AST) des Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) am Standort Görlitz. Der Fokus seiner Arbeit liegt auf der Anwendung, sowie der Weiter- und Neuentwicklung von Quantenalgorithmen in den Bereichen Optimierung, Simulation und Maschinellem Lernen.

 

„Als ich Mitte der 80er „Operations Research“ studiert habe, hätte ich nie gedacht, dass ich die Lineare Algebra für Optimierung als Informatiker für Quantencomputing verwenden werde.“

Ingolf Wittmann (M.Sc.) war maßgeblich an dem Kooperationsprojekt zwischen IBM und Fraunhofer mit dem IBM Quantum System als Mitarbeiter auf beiden Seiten beteiligt. Für das Fraunhofer IAF leitet er Ausbildungsinitiative für das Baden-Württembergische Förderprojekt und die Integration von hybriden Ansätzen zwischen dem HPC System in Freiburg und den Quantenrechner in Ehningen.
Daneben ist er der Vorsitzende des Bitkom Arbeitskreises HPC & Quantencomputing und berät deutsche Ministerien und die europäische Kommission zu den Themen HPC und Quantencomputing.

Was sind die aktuellen Forschungsthemen rund um Quantencomputing bei Fraunhofer?

Die wichtigsten Fragen, auf die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Antworten finden wollen, sind: Wie müssen Probleme beschaffen sein, um sie mit Quantencomputern effizient lösen zu können? Wie müssen die Algorithmen dafür aufgebaut sein? Und wie formuliert man Rechenmethoden auf diesen Computern, damit sie ihr Potenzial entfalten können? 

Dies erfolgt mit dem ersten Quantencomputer Europas, dem IBM Q System One, der seit Januar 2021 durch IBM am Standort Ehningen (Baden-Württemberg) betrieben wird und auf den die Fraunhofer-Gesellschaft exklusiven Zugriff hat.

Um die anwendungsnahe Forschung voranzutreiben, hat die Fraunhofer-Gesellschaft das nationale Kompetenznetzwerk Quantencomputing, auf Basis von regionalen Kompetenzzentren mit jeweils eigenen Forschungsschwerpunkten, gegründet. Es ist die erste Anlaufstelle für alle, die am und mit dem Quantencomputer forschen wollen.

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Dr. Raphaela Schätz

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Dr. Raphaela Schätz

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