Das Potenzial der Quantencomputer nutzen und einen echten Vorteil für praxisrelevante Anwendungen erzielen – dieses Ziel wird weltweit verfolgt. In Baden-Württemberg hat sich in den letzten vier Jahren das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW) diesem Ziel verschrieben. In erfolgreichen Verbundprojekten konnten in verschiedenen Bereichen des Quantencomputings große Fortschritte erzielt werden. Der Erfolg des KQCBW soll nun fortgesetzt und das einzigartige Quantencomputing-Ökosystem im Land weiter ausgebaut werden.
Das KQCBW wird in einem zehnmonatigen Transferprojekt »Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg: Transferprojekt (KQCBW24)« fortgeführt, das im September 2024 gestartet ist. Im Transferprojekt werden die begonnenen Forschungsarbeiten aus den Vorgängerprojekten fortgesetzt und wichtige Vorarbeiten für Folgeprojekte, die auf drei Jahre angelegt sind, geleistet. Das KQCBW wird durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.
Breite Expertise: Hardware-/Software-Co-Design
Das KQCBW verfolgt einen interdisziplinären und systemischen Ansatz, der sowohl die Entwicklung alternativer Hardwareplattformen als auch gezieltes und anwendungsorientiertes Hardware-/Software-Co-Design beinhaltet. Die Expertise, die in den letzten vier Jahren in Baden-Württemberg im Rahmen des KQCBW aufgebaut wurde, wird in den kommenden Jahren weiter ausgebaut werden. Die Forschungsthemen reichen von der Quantensimulation in den Material- und Naturwissenschaften über Anforderungen an leistungsfähige und zuverlässige Hardware-Umgebungen hin zur Programmierung von Quantenalgorithmen für den industriellen Bedarf.
Kein Quantencomputing ohne Quantencomputer
Um anwendungsorientierte Forschung zum Quantencomputing betreiben zu können, sind reale Quantencomputer unabdingbar. Ein wesentliches Element im Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW) ist daher der Zugang zu einer leistungsfähigen und modernen Quantencomputer-Infrastruktur. Hierzu führt die Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des KQCBW seine privilegierte Zusammenarbeit mit der IBM Deutschland GmbH fort. Mit einer erneuten Vereinbarung erhält das KQCBW Zugang zu den neuesten Quantencomputern von IBM, die in Ehningen installiert sind sowie IBMs Flotte von Utility-Scale-Quantensystemen, die über die Cloud verfügbar sind.
Neben den Systemen von IBM wird auch der Zugriff auf einen NV-basierten Quantencomputer und die Bereitstellung der HPC-Simulationsinfrastruktur sowie der virtuellen Demonstrator-Plattform zur Simulation von Quantenalgorithmik für alle Projektpartner innerhalb des KQCBW ermöglicht. Dies bildet eine umfängliche Quantencomputer-Infrastruktur, die den Partnern des KQCBW ideale Voraussetzungen für ihre Forschungsarbeiten bietet.
Ergebnisse aus dem KQCBW auf der Quantum Effects 2024
In fünf Verbundprojekten wurden in der vorangegangenen Phase des KQCBW hervorragende Ergebnisse erzielt. Im Bereich des Quantencomputer-Hardware-Designs basierend auf Stickstoff-Farbzentren (NV) in Diamanten konnten mittels dipolarer NV-NV-Kopplung und der Entwicklung robuster Zwei-Qubit-Gatter sowie dynamischer Entkopplungsprotokolle die Systemeffizienz und Güte signifikant gesteigert werden. Zusätzlich gelangen genauere Simulationen komplexer Moleküle unter Verwendung variationaler Quantenalgorithmen. In einem weiteren Projekt gelang es, auf die Hardware des supraleitenden IBM-Quantencomputers besser zugeschnittene Verfahren zur Charakterisierung und Korrektur der darauf auftretenden Fehler zu entwickeln. Eine weitere Forschungsgruppe hat auf Basis von acht Anwendungsfällen aus den Bereichen Produktion, Logistik, Engineering und Automotive End-to-End-Demonstratoren entwickelt und für den gesamten Quanten-Software-Entwicklungsprozess selbsterklärende, interaktive Jupyter Notebooks zur Verfügung gestellt.
Diese Forschungsergebnisse und weitere aus dem KQCBW stellen die Verbundpartner auf der diesjährigen Quantum Effects, der weltweit führenden Ausstellung und Konferenz für anwendungsorientierte Quantentechnologien in Stuttgart, am 8. und 9. Oktober 2024 vor. Am Gemeinschaftsstand von QuantumBW (Halle 2, Standnummer 2D15) werden die Software- und Hardware-Demonstratoren präsentiert und auf der QuantumBW-Messebühne werden die Forschenden am 9. September Vorträge zu ihren Projektergebnissen halten sowie die nächsten Schritte im KQCBW präsentieren.
Über das KQCBW
Unter der Leitung der Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF sowie für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO bündeln im Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg weitere Fraunhofer-Institute und Forschungspartner aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft ihre Kompetenzen für die Entwicklung und Anwendung von Quantencomputern für Forschung, Ausbildung und Wirtschaft. Dabei stehen die in Baden-Württemberg besonders wichtigen Branchen Informationstechnik, Medizintechnik, Chemie, Finanzwesen, Maschinenbau, Produktion, Automobil und Logistik im Fokus. Das KQCBW bringt sich zudem als Teil der Geschäftsstelle der Landesinitiative QuantumBW aktiv beim Ausbau des Quantentechnologiestandorts Baden-Württemberg ein.
Das Transferprojekt »KQCBW2024« ebnet den Weg für die weitere Fortsetzung des KQCBW ab Juli 2025. Daran beteiligt sind 12 Partner aus Universitäts- und außeruniversitären Instituten sowie fünf assoziierten Unternehmenspartnern: Die Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF, für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, für Werkstoffmechanik IWM sowie für Chemische Technologie ICT; die DLR-Institute für Technische Thermodynamik und für Quantentechnologien; die Universität Stuttgart, die Universität Ulm, die Universität Konstanz, die Eberhard Karls Universität Tübingen, das Karlsruher Institut für Technologie KIT, das Forschungszentrum Informatik FZI sowie EnBW Energie Baden-Württemberg AG, HQS Quantum Simulations GmbH, Kipu Quantum GmbH, Robert Bosch GmbH und Classiq.
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO