Quantencomputer könnten einmal Probleme in Chemie, Materialwissenschaften und Energieforschung lösen, die für klassische Computer nicht zu bewältigen sind. Das von Fraunhofer IAO und Fraunhofer IAF koordinierte Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW) arbeitet daran herauszufinden, wo dieses Potenzial Realität werden kann und was dafür nötig ist. Auf der Fachmesse Quantum Effects am 6. und 7. Oktober 2026 in Stuttgart stellt das Konsortium aktuelle Ergebnisse vor und zeigt an Demonstratoren, wie Quantencomputing für Industrie und Forschung zugänglich gemacht werden kann.
Quantencomputing gilt als Schlüsseltechnologie für künftige Innovationen – von neuen Materialien und Pharmazeutika bis hin zu Optimierungen in Logistik und Energie. Für Deutschland und Baden-Württemberg besteht das Ziel darin, sowohl Entwickler als auch Anwender dieser Technologie zu werden. Das KQCBW verfolgt dieses Ziel entlang drei Arbeitslinien: Quantenalgorithmen für Chemie und Materialwissenschaften, die Integration von Quantencomputing mit Hochleistungsrechnen (HPC) sowie Methoden zur Kontrolle von Rechenfehlern.
»Der praktische Nutzen von Quantencomputing wird kaum durch isolierte Demonstrationen von Rechenüberlegenheit entstehen. Er hängt vom Fortschritt in mehreren Bereichen gleichzeitig ab: Hardware-Qualität und -Skalierung, Fehlerkorrektur bis hin zur Fehlertoleranz, auf konkrete Probleme abgestimmte Algorithmen sowie Vergleichsmaßstäbe, die einen ehrlichen Vergleich mit den besten klassischen Methoden erlauben. Im KQCBW untersuchen wir, ob und unter welchen Bedingungen Quantencomputer einen Vorteil für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen bieten können, und wir benennen die technischen Schritte, die noch erforderlich sind, um dorthin zu gelangen«, sagt Dr. Vamshi Mohan Katukuri, Projektleiter am Fraunhofer IAO.
Skalierbare Methoden für die Quantenchemie
Eine zentrale Herausforderung der Quantenchemie ist die Entwicklung von Verfahren, die auf für Wissenschaft und Industrie relevante Systemgrößen skalieren. Der im Projekt entwickelte Ansatz »qc-on-qc« adressiert diese Herausforderung: Er ermöglicht die Simulation größerer Molekülsysteme auf Quantencomputern, insbesondere metallorganischer Gerüstverbindungen mit stark korrelierten Elektronen. Mit Blick auf künftige fehlertolerante Quantencomputer entwickelt das Konsortium zudem ressourceneffiziente Algorithmen für die Quantenchemie. Dazu gehören Block-Encodings molekularer Hamiltonoperatoren – ein Verfahren zur effizienten Darstellung chemischer Rechenprobleme auf Quantencomputern. Diese ermöglichen den effizienten Einsatz von Methoden wie der Quantum Singular Value Transformation (QSVT) und reduzieren im Vergleich zu bisherigen Ansätzen die Anzahl der benötigten Zwei-Qubit-Gatter – zentrale Bausteine jeder Quantenschaltung – deutlich.
Materialien für Energiespeicher und -umwandlung
Weitere Arbeiten des Konsortiums befassen sich mit der Simulation von Materialien für Energiespeicher und Energieumwandlung. Untersucht wird unter anderem, wie sich besonders rechenintensive Teile materialwissenschaftlicher Berechnungen auf Quantencomputer übertragen lassen. Zum Einsatz kommen variationelle Algorithmen – iterative Verfahren, die klassische und Quantenberechnungen kombinieren – sowie Verfahren zur Fehlermitigation, mit denen sich der Einfluss von Störungen auf die Rechenergebnisse nachträglich reduzieren lässt. Erste Experimente wurden bereits auf realer Quantenhardware durchgeführt.
Fehler kontrollieren: Von heutiger Hardware zu logischen Qubits
Ein entscheidender Baustein auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern ist die Beherrschung von Fehlern. Das Konsortium forscht an der Schnittstelle von Quantenhardware und -software sowie auf algorithmischer Ebene unter anderem zu Fehlercharakterisierung und Fehlermitigation. Universitäre Partner arbeiten an der skalierbaren Implementierung von Quantenfehlerkorrektur und logischen Qubits.
»Ohne Fehlerkorrektur bleibt Quantencomputing Zukunftsmusik. Gleichzeitig können wir nicht warten, bis perfekte Systeme verfügbar sind – deshalb entwickeln wir im KQCBW sowohl langfristige Lösungen für logische Qubits als auch praktische Verfahren zur Fehlercharakterisierung und Fehlermitigation, die schon auf heutiger Hardware wirken«, sagt Dr. Thomas Wellens, Projektleiter am Fraunhofer IAF.
Von der Forschung zur Anwendung – KQCBW auf der Quantum Effects 2026
Neben seiner Arbeit an der Algorithmengestaltung definiert das KQCBW Use Cases, analysiert industrielle Anwendungsfelder und entwickelt hybride Quantum-HPC-Workflows, damit die Ergebnisse auch außerhalb des Labors genutzt werden können. Besucher und Besucherinnen der Quantum Effects 2026 können diese Ergebnisse an den KQCBW-Demonstratoren aus erster Hand erleben.
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO