Kompetenzaufbau für Quantencomputing

Was bedeutet Quantencomputing?

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.

Weshalb ist Quantencomputing so interessant?

Neben der Schnelligkeit haben Quantencomputer das Potenzial, Fragestellungen zu bearbeiten, für die es bisher keine Lösungsansätze gab. Vor allem Simulationen und die Lösung von Optimierungsproblemen sind vielversprechende Anwendungsgebiete. Mithilfe von Simulationen lassen sich etwa die Eigenschaften von Molekülen und Materialien vorhersagen. Optimierungsprobleme stellen sich zum Beispiel in der Logistik, wenn es darum geht, den optimalen Verkehrsfluss zu ermitteln, um Straßen zu entlasten.

Weiterhin ist beispielsweise im  Bereich der  IT-Sicherheit bereits nachgewiesen, dass ein Quantencomputer die klassischen Verschlüsselungsalgorithmen sehr schnell brechen kann und somit neue Verfahren, die nicht auf rein rechnerisch schwierigen mathematischen Problemen basieren, zu entwickeln sind. Insbesondere wichtig ist hier, dass in gewissen Bereichen, wie der sicheren Infrastruktur, die sichere Kommunikation heute auch in Zukunft nicht entschlüsselt werden sollte. 

Dr. Nikolay Tcholtchev

„An Quantencomputing faszinieren mich die vielen unentdeckten Potentiale und Möglichkeiten für die Anwendung in der Industrie und in unserem Alltag.“ sagt Dr.-Ing. Nikolay Tcholtchev (PhD), wissenschaftlicher Mitarbeiter und u.a. Projektleiter im Bereich Quality Engineering für Quantencomputing am Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS). Dort betreut er die Bereiche Quantum Computing und Quantum Programmierung, Qualitätssicherungsprozesse für Quantum Computing, Quantum DevOps, Benchmarking und Einbettung von Quantum Algorithmen in bestehende Prozesse und Schnittstellen.

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. 

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. 

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. 

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.

Welche fachlichen Kompetenzen werden für die Umsetzung von Quantencomputing benötigt?

Wissen Sie, wie Quantencomputing Ihr Unternehmen verändern wird? Lernen Sie in diesem Video mehr über unser Weiterbildungsprogramm und wie wir gemeinsam Quantencomputing in die Anwendung bringen möchten.

Wissen Sie, wie Quantencomputing Ihr Unternehmen verändern wird? Lernen Sie in diesem Video mehr über unser Weiterbildungsprogramm.

Ziel von Fraunhofer ist es, mit Quantencomputing eine entscheidende Zukunftstechnologie erfolgreich zu gestalten. Wichtige Voraussetzung dafür ist der frühzeitige Aufbau von Fachkompetenzen in Deutschland. Nur dann kann Deutschland von der Wertschöpfung dieser neuen Technologie profitieren.

In den drei Bereichen Technologie, Innovation und Unternehmen stellt sie zielgruppengerechte Lernpfade bereit:

• Quantum Technology Expert
(Zielgruppe: Data Scientists, Software Engineers, Forscher:innen)

• Quantum Innovation Expert
(Zielgruppe: Technologie-Scouts, Gründer:innen sowie Unternehmer:innen aus Start-ups)

• Quantum Business Professional
(Zielgruppe: Vertreter:innen aus dem C-Level)

"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.


Aktuelle Termine rund um Quantencomputing

 

2.12.2021

Fraunhofer FOKUS »Science Snack«

Potential, Herausforderungen und Anwendungsbereiche von Quantencomputern

DigitalDialog "Quantencomputing: Mythos und Realität"

19. Oktober 2021, 14:00 - 15:00 Uhr

02. November 2021, 10:00 - 11:00 Uhr 

25. November 2021, 11:00 - 12:00 Uhr

DigitalDialog: "Quantencomputing lernen, wo fange ich an?"

21. Oktober 2021, 10:00 - 11:00 Uhr und 

09. November 2021, 10:00 - 11:00 Uhr

02. Dezember 2021, 10:00 - 11:00 Uhr

DigitalDialog "Post-Quanten-Kryptographie"

30. September 2021, 10:00 - 11:00 Uhr

Fraunhofer IAO

Registrieren Sie sich für die Post-Quanten Sicherheit Schulung!

Vom 16.02.2022 - 17.02.2022 findet das  Seminar Post-Quanten Sicherheit in Weiden in der Oberpfalz statt. Melden Sie sich noch heute an.

 

 

 

Kostenloser online Selbstlern-Kurs

Starten Sie direkt mit einem von der Fraunhofer-Gesellschaft erstellten Online Kurs. Melden Sie sich hier an und Sie erhalten umgehend die Zugangsdaten zum Kurs.
kostenlos - online - flexibel

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.

„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.

Quantum Summit 2021

Sie haben unsere Keynote und Podiumsdiskussion beim Bitkom Quantum Summit 2021 zum Thema Quantum in der Weiterbildung verpasst? Sie können nun diese im Nachgang hier finden:

Quantum Education, Clara Neumayer

Quantum Bayesian Networks For Path Accuracy in Manufacturing, Maximilian Selch

 

Rückblick

Quantencomputing auf der Hannover Messe im April 2021.

Fraunhofer auf der HANNOVER MESSE

 

„Am Quantencomputing fasziniert mich das neuartige Berechnungsmodell und dessen Einsatzmöglichkeiten in der Forschung und der Industrie.“ sagt Daniel Müssig (M.Sc.), 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.