Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAOAuf dem Weg zur Superkraft
Quantencomputing
Fraunhofer bündelt mit dem Forschungslab »flaQship« und im Projekt »INQUBATOR« seit einem Jahr seine Kompetenzen im Quantencomputing und bildet damit eine Speerspitze. So wird diese neue Technologiewelt für die Industrie habhaft. Die Geschichte eines Brückenbaus in unbekannte Gefilde.
Eben hat Florian Knäble seinen Laptop gestartet und sich mit einem Rechenzentrum verbunden, jetzt sieht er auf seinem Bildschirm endlose Zahlenreihen herabfallen. Wie ein digitaler Starkregen prasseln sie nieder, ohne Anfang, ohne Ende. Das Internet besteht aus Unsummen solcher digitalen Bausteine, und irgendwo in diesem Meer aus Ziffern lauern sie: Viren, Würmer, Trojaner und andere sogenannte Malware, mit denen einzelne Accounts oder ganze IT-Systeme geknackt, ausspioniert oder beschädigt werden können. Das Problem: Die Gefahren sind kleiner als die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen. Knäbles Ziel: Cyberattacken rasch erkennen, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können. »Wir versuchen, gewaltige Datensätze möglichst schnell und genau zu durchforsten«, sagt er. Möglich wird das mithilfe einer neuen Superlupe, mit der Knäble sich von seinem Büro im Stuttgarter Fraunhofer IAO aus per Mausklick verbinden kann. Er hat nämlich nicht irgendein Rechenzentrum angesteuert, sondern den IBM »Heron«, einen Quantencomputer im 20 Kilometer südwestlich gelegenen Ehningen. Damit betritt er die Welt der kleinsten Teile. Eine, die, zurückhaltend ausgedrückt, physikalische Effekte nutzt, um Informationen zu verarbeiten.
Quantencomputer bilden eine neue Generation. Sie entwickeln sich zu Gamechangern, weil sie Probleme adressieren können, die für klassische Rechner praktisch unlösbar sind. Nur entführen sie auch zu Orten, die für den Menschen noch schwer vorstellbar sind und in die Fraunhofer nun für die Industrie eine Schneise schlägt – etwa mit diesem Use-Case in Zusammenarbeit mit der Bundesdruckerei, dem Technologieunternehmen des Bundes, für das Cybersicherheit ganz oben auf der Agenda steht.
Wegbereiter für die Industrie
Der Mathematiker Florian Knäble arbeitet für »INQUBATOR«, ein Gemeinschaftsprojekt der Fraunhofer-Institute IAF, IAO, ITWM und IPA, dessen Ziel es ist, der Industrie den Weg zur Nutzung der Quantentechnologie zu ebnen. »Wir entwickeln Algorithmen, mit deren Hilfe industrierelevante Fragen quantisch gelöst werden können«, erklärt er.
»INQUBATOR« ist gleichzeitig ein Referenzprojekt des Forschungsnetzwerks »flaQship«. Das »Fraunhofer-Lab für anwendungsorientiertes Quantencomputing Stuttgart-Heilbronn« bündelt seit März 2025 die Expertise von Fraunhofer IAO, IPA und dem IAT der Universität Stuttgart unter einer gemeinsamen Vision. Mit Forschenden aus Physik, Mathematik, Informatik, Kommunikation, Wirtschafts- und Politikwissenschaft treibt »flaQship« agile Strategien und cross-funktionale Zusammenarbeit voran.
Wir tragen entlang der gesamten Wertschöpfungskette anwendungsorientierte Forschung in Unternehmen hinein. In einer von Konkurrenz geprägten Welt gilt es, innovative Kooperationsformate zu leben, starke Partnerschaften zu etablieren und vernetzte Wissenshubs für Forschungsthemen aufzubauen. Gemeinsam sind wir weit mehr als die Summe unserer Teile.«
Dr. Christian Tutschku, Teamleiter »Quantencomputing« und Co-Leiter Forschungsbereich »Digital Business« am Fraunhofer IAO
Welt der Quanten
Als Joseph von Fraunhofer in den Zehnern und Zwanzigern des 19. Jahrhunderts der Bau bisher ungekannter Fernrohre gelang, öffnete er damit einen Spalt zum Vermessen riesiger Weiten des Universums. Heute schicken sich seine Nachfolgenden an, die Welt des Kleinsten zu verstehen und zu nutzen, die jener Teile also, die sich nicht teilen lassen. Gemeint sind Quanten, also zum Beispiel ein Photon oder ein Elektron. Wie Pixel die kleinsten Teile eines digitalen Fotos sind, sind sie die kleinsten Bausteine des Lebens.
In dieser Welt gelten Gesetze, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Denn diese Quanten verhalten sich anders, sie entfalten zum Beispiel die von Albert Einstein als »spukhafte Fernwirkung« beschriebene Verschränkung, bei der zwei Teile ein einziges System bilden; misst man den Zustand des einen, etwa eines Elektrons, ändert man sofort den Zustand des anderen, auch wenn beide Lichtjahre voneinander entfernt sind.
Ein weiteres Phänomen der Quantenwelt nennt sich Superposition. Dieser Effekt drückt aus, dass sich ein System zu einem Zeitpunkt in mehreren klassischen Zuständen gleichzeitig befindet. Misst man das System, muss es sich jedoch für genau einen Zustand entscheiden – der sogenannte Kollaps der quantischen Wahrscheinlichkeitsverteilung. Übertragen auf herkömmliche Computer hat dies revolutionäre Konsequenzen: Diese rechnen mit Bits, und ein Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Quantencomputer dagegen benutzt Qubits, also sogenannte Quantenbits. Diese können nicht nur gleichzeitig 0 oder 1 sein, sondern eine beliebige Mischung aus 0 und 1 einnehmen. Während ein Bit also wie ein Lichtschalter funktioniert, der entweder ein- oder ausschaltet (0 oder 1), ähnelt ein Qubit einem Dimmer, der viele Zustände gleichzeitig realisieren kann oder wie eine in die Luft geworfene Münze, die in diesem Zustand nicht eindeutig Kopf oder Zahl benennt.
Ein Quantencomputer benutzt abhängig von der Hardware beispielsweise Mikrowellen oder Laserpulse, um Qubits miteinander zu verschränken und/oder in Superpositionen zu bringen. Dann geschieht die eigentliche Magie. Denn die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Zustände verstärken sich gegenseitig oder löschen sich aus. »Wir programmieren also dahingehend, dass sie richtige Lösungen massieren«, sagt Knäble, »die Superposition kollabiert schließlich, und die Lösung kullert wie eine Murmel in eines von zig möglichen Löchern.« Nur gibt es ein Problem. »Die Information, die in den Qubits während der Rechnung verarbeitet wird, ist nicht stabil, sondern zerfließt unter unseren Fingern, aufgrund sogenannter Dekohärenz-Effekte. Noch muss man die Rechnung binnen Bruchteilen von Sekunden erstellen, um jenem Effekt vorzubeugen.« Dies definiert die heutige NISQ-Ära. Das Akronym steht für »Noisy Intermediate-Scale Quantum«. Es ist davon auszugehen, dass wir diese Ära in den kommenden drei bis fünf Jahren verlassen und uns stabile, sogenannte fehlertolerante Quantencomputer zur Verfügung stehen, auf denen jene Fehler mit Software korrigiert werden können.
Quantencomputer tragen also in sich Superkräfte. Sie können gleichzeitig riesige Lösungsräume systematisch erschließen, das macht sie zum Treibstoff der Zukunft für jedwede Industrie. Allerdings gibt es aktuell noch einige Hürden zu nehmen. Als kleinste Energiepakete sind Qubits extrem sensibel gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur, Strahlung oder magnetischen Feldern. Schon kleinste Störungen können Berechnungen in der aktuellen NISQ-Ära verfälschen. Auch benötigen einige Quantencomputer oft spezielle Kühlanlagen, um auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) zu kommen. Nur unter diesen Bedingungen funktionieren die entsprechenden Qubits stabil. Bis diese Rechner also alltagstauglich werden wie die Smartphones in unseren Hosentaschen, wird es noch etwas dauern. Doch vor 50 Jahren war auch noch nicht absehbar, was unsere jetzigen Computer daheim alles leisten würden, als sie die ersten Rechenlabore verließen. Und jedes Jahr werden neue Prozessoren für Quantencomputer entwickelt, das Tempo ist rasant.
Die Quantenwelt gemeinsam entdecken
Noch gibt es relativ wenige Quantencomputer, Schätzungen liegen für das Jahr 2025 bei weltweit 100 bis 250 aktiven Systemen in Unternehmen und akademischen Instituten, die oft über Cloud-Zugang nutzbar sind. Sie stehen unter anderem in den USA und in Kanada, in Deutschland, den Niederlanden und in Frankreich, China und Japan. »flaQship« von Fraunhofer nutzt nicht nur das IBM Quantum Data Center in Ehningen, sondern auch weitere Quantencomputer auf anderen Kontinenten. Die Quantenwelt ist klein. Und man wächst gemeinsam.
Europa hat dabei aufzuholen. Fünf der zehn größten Unternehmen im Bereich der Quantentechnologien samt Quantencomputing sind in den USA ansässig, vier weitere in China; in der EU kein einziges. Deutschland steht mittlerweile bei der staatlichen Förderung von Quanten-Technologieentwicklung und deren Überführung in Anwendungen weltweit nach China auf dem zweiten Platz.
Wir sind zum Beispiel führend bei anwendungsorientierter Quanten-Algorithmenforschung und deren Softwareentwicklung, bei sogenannten Quantum-Hochsprachen sowie bei Domain-Specific Languages (DSLs), die konventionelle Entwicklerinnen und Entwickler dazu befähigen, perspektivisch Quantencomputer zu nutzen«
Dr. Christian Tutschku, Teamleiter »Quantencomputing« und Co-Leiter Forschungsbereich »Digital Business« am Fraunhofer IAO
So ist eine Vielzahl an anwendungsbezogenen Projekten entstanden. Während Knäble in seinem Projekt Anomalien wie Cyberangriffe aufspüren will, ist sein Kollege, »INQUBATOR«-Projektleiter Walter Hahn vom Fraunhofer IAF, anderen Gefahren auf der Spur: Krankheiten. Sein Use Case in Kooperation mit dem Uniklinikum Freiburg arbeitet an einer Quantenlösung zur Klassifizierung von Patientendaten. »Wir haben eine Merkmalsauswahl realisiert«, sagt er mit Blick auf die Vielzahl an medizinischen Diagnosemitteln. Damit trainiert er einen Quantenalgorithmus, der künftig bei Neupatientinnen und -patienten angewandt werden kann, um zu wissen, ob sie krank sind oder nicht. Das können zwar auch klassische Algorithmen. »Unser Ziel ist es, herauszufinden, bei welchen Problemen und ab welcher Datenmenge der Quantenalgorithmus schneller ist.« Theoretisch sei das möglich, schließlich könne er mehrere Schritte gleichzeitig ausführen. »Was wir suchen, ist eine skalierbare Lösung«, sagt Hahn.
Den Wirkstoffabbau vorhersagen
Und natürlich eignet sich Quantencomputing besonders, wenn Quanten selbst simuliert werden sollen. »Das sind die Früchte, die am niedrigsten hängen«, lächelt Bharadwaj Chowdary Mummaneni. Er leitet im »flaQship« die Quantum-Simulationsgruppe, welche sich im Projekt »Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg« (KQCBW) mit der Simulation eines bestimmten Enzyms auseinandersetzt: »Cytochrom-P450-Enzyme spielen eine wichtige Rolle beim Abbau pharmazeutischer Wirkstoffe«, sagt er. Noch immer stellt die Voraussage dieser Reaktionen eine Herausforderung dar, und selbst Supercomputer schaffen es nicht, das aktive Zentrum dieses Enzyms zu modellieren. Um also dort die elektronischen Wechselwirkungen darzustellen, greift man zu einem Computing, das auf den kleinsten Teilen beruht, eben den Quanten. »Wir kooperieren mit dem Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim«, so Mummaneni. »Quantencomputing kann das Verhalten dieser Strukturen simulieren, und wir entwickelten eine Methode, die komplexe Probleme in Teilprobleme zerlegt. Diese dienen dann Algorithmen, welche Ansätze für die Modellierung von Molekülen wie die P450-Enzyme unterstützen.«
Bilderkennung besser gestalten
Satellitenbilder begleiten längst unseren Alltag. Doch ihr Potenzial ist noch nicht ausgeschöpft. »Ihre Daten können komplexe Korrelationen untereinander aufweisen«, sagt Jan Schnabel vom Fraunhofer IPA. »Man muss etwa verschiedene Farben erkennen, aber gleichzeitig auch die Umgebungsinformationen berücksichtigen.« Der Quantencomputing Researcher setzt für diese Verarbeitung auf Methoden des Maschinellen Lernens mit Quantenbasis – und zwar im Rahmen eines Projekts, bei dem das Fraunhofer IAO und das Fraunhofer IPA Unterauftragnehmer sind; sie entwickeln gemeinsam mit dem Karlsruher Start-up HQS Quantum Simulations im Projekt »QCOptSens« für das Institut für Weltraumforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine sogenannte Pipeline. »Das ist wie eine Bibliothek, mit deren Hilfe automatisiert die besten Quantenalgorithmen für bestimmte Fragestellungen identifiziert und angewandt werden.« Die Idee dieser Bibliothek namens »AutoQML«: Man gibt einen Datensatz ein, und AutoQML sucht automatisiert aus einem Werkzeugkasten, der aus Machine-Learning- und Quantum-Machine-Learning-Methoden besteht, diejenige heraus, die für den jeweiligen Fall das beste Ergebnis liefert. »So könnte man mit der schnell steigenden Dimensionalität und Komplexität von Daten und Algorithmen Schritt halten.«
Software für Quantencomputer
Doch was hat ein Mittelständler von all diesen Projekten, wie macht man sich die Hardware nutzbar? Ohne die richtige Software stehe man vor dem Quantencomputer wie vor einem PS-starken Sportwagen – ohne Führerschein in der Tasche, sagt Philipp Kunst. »Er bringt einem nichts.« Kunst arbeitet beim Fraunhofer IAO im Projekt »FullStaQD«, dessen Ziel nicht weniger als der Aufbau einer Softwareinfrastruktur für Quantencomputer ist. Eben ein »ganzer Stapel«, der die Anwendungsschicht (wo Endnutzende agieren), die Systemschicht (wie Steuerelektronik und Betriebssystem) und die physische Schicht (die Hardware) miteinander agieren lässt. »Vereinfacht gesagt liefern wir sowohl die Zutaten als auch verschiedene Rezepte, mit denen sich jeder Kunde den von ihm gewünschten Kuchen backen kann«, so Kunst. »Selbst eigene Zutaten, also unternehmenseigene Software, können eingebunden werden.« Das Problem ist nämlich: Viele der bisherigen Softwarepakete sind eher prototypisch und haben eine Inselnatur. »Die Software im Quantencomputing wird meist noch von Physikerinnen und Physikern geschrieben«, sagt Kunst. »Wir wollen aber dorthin kommen, dass Endnutzende diese Software verwenden können, ohne vorher zehn Jahre lang Physik studiert zu haben«; wie bei Nutzenden herkömmlicher Programme wie Excel oder PowerPoint, die auch nicht wissen müssen, wie die Transistoren hierfür auf der Hardwareseite arbeiten. Am Ende wird bei »FullStaQD« eine End-to-End-Softwarelösung stehen, welche die Welt der Quanten nutzbar in die Unternehmen trägt.
Der Reiz des Unbekannten
Quantencomputing ist kein Hexenwerk. Nur oszillieren die Fraunhofer-Kollegen Knäble, Hahn, Mummaneni, Schnabel und Kunst in ihren verschiedenen Projekten zwischen fraunhoferscher Anwendungszentriertheit und Grundlagenforschung. Sie betreten neues Terrain und pflastern es aus. Im Grunde ziehen sie alle an einem Strang. Und noch etwas teilen sie: Begeisterung. »Die Faszination liegt teils auch daran, dass man die Quantenwelt nie ganz begreifen wird«, sagt Schnabel, »weil sie so anders ist. Das ist cool.« Und Knäble: »Es ist überwältigend.« Oder Kunst: »Es ist eine superaufregende Zeit.« Die einer künftigen Schlüsseltechnologie, die ihre disruptiven Auswirkungen sowohl auf die Forschung als auch auf die Wirtschaft haben wird. Es ist, als würde jemand laut rufen: Anschnallen!