Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme
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Quantencomputer auf blau-grauen Hintergund mit graphischen Elementen wie Wellenlinien aus Punkten oder gelben Dreiecken
© Fraunhofer FOKUS

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Quantencomputing

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Quantencomputer versprechen, komplexe Probleme zu lösen, an denen klassische Systeme scheitern, zum Beispiel in der Optimierung, Simulation und Kryptografie. Doch der Zugang zu dieser Technologie ist anspruchsvoll und es fehlen Use Cases und konkrete Anwendungenlösungen. Fraunhofer FOKUS arbeitet daran, Quantenalgorithmen für die Anwendungsprogrammierung einfach nutzbar zu machen und damit auch kleinen und mittleren Unternehmen einen Zugang zu ermöglichen. 

Die folgenden Technologien und Kompetenzen beschreiben zentrale Bausteine, die in unseren Anwendungsfelder entlang von Entwurf, Entwicklung, Integration und Betrieb zum Einsatz kommen.

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Technologien und Kompetenzen für forschungsnahe Beratung und Entwicklung

Quantenprogrammierung

Neue Sprachen (z.B. QRISP) und Werkzeuge senken die Einstiegshürden. Hybride Workflows ermöglichen praktische Anwendungen auf realer Quantenhardware.

  • Automatisierung von Gatteroperationen und Qubit-Management
  • Erweiterte Datentypen (QuantumFloat, QuantumArray, QuantumString etc.)
  • Netzwerkschnittstellen zur Ausführung auf realer Quantenhardware (IBM, eleQtron, IQM, AQT)
  • Integration Programmierkonzepte (QuantumEnvironments, QuantumSessions)

Quanten-KI & Optimierung

Quantencomputing in Kombination mit KI ermöglicht neue Verfahren für Prognose, Planung und Optimierung.

  • Plattformen und Algorithmen für QKI‑Anwendungen
  • QKI‑Algorithmen für Prognose, Wartung und Planung
  • QUBO‑Formate (z. B. MiniZinc-Konverter)
  • Industrielle QKI-Validierung (z. B. Zugumlaufplanung, Betrugserkennung)
  • Wissensplattform PlanQK für QKI

Quantenalgorithmen & Anwendungen

Variationelle und hybride Ansätze adressieren komplexe Optimierungs‑, Simulations‑ und ML‑Probleme. Domänenspezifische Verfahren führen zu nutzbaren Lösungen.

  • Algorithmen für reale Anwendungsfelder
  • Entwicklung variationeller Algorithmen (z. B. VQE, QAOA)
  • Quantenbasierte Optimierung für Logistik, Verkehrssteuerung, Ressourcenplanung
  • Physikalisch‑chemische Simulation
  • Hybrides Quanten-ML

Quanten-Cloud & Plattformtechnologien

GAIA‑X‑konforme Plattformen verbinden Hochleistungsrechner und Quantenhardware für skalierbare, rechtskonforme Nutzung.

  • SeQuenC‑Cloud für rechtssichere Quanten‑Services
  • Integration hybrider Quanten‑Software in Cloud‑Umgebungen
  • API‑Management und Monetarisierung von Quanten‑Software
  • Einbindung von PlanQK‑Use‑Cases

Middleware & Schnittstellenentwicklung

Standardisierte Schnittstellen erleichtern Integration und Betrieb hybrider Quanten‑Systeme. Middleware reduziert Komplexität und vermeidet Anbieterabhängigkeiten.

  • Entwicklung von APIs für Quanten-Backends
  • Firmware- und Compilerentwicklung (z. B. im Projekt Qompiler)
  • Standardisierung von Schnittstellen zur Vermeidung von Vendor Lock-in
  • Unterstützung hybrider klassisch-quantenbasierter Architekturen

 

Qualitätssicherung & Quantum DevOps

Spezielle QS‑Methoden adressieren Hardwarefehler und Instanzunterschiede. Tests und Monitoring erhöhen die Zuverlässigkeit und Reife quantenbasierter Anwendungen.

  • Quantum-DevOps-Ansätze
  • Fehleranalyse und Instanzselektion (Error Mitigation)
  • QS‑Integration in Entwicklungs‑ und Betriebsprozesse
  • Zertifizierungsschemas für Quantenanwendungen

Quantenkommunikation & IT-Sicherheit

QKD und verwandte Verfahren ermöglichen abhörsichere Übertragung. Architekturen mit Trusted Nodes und Repeatern schützen besonders sensible Infrastrukturen.

  • Protokolle für Quantum Key Distribution (QKD)
  • Konzepte für Quantenteleportation und verteilte Kommunikation
  • Integration von Trusted Nodes und Quantenrepeatern
  • Sicherheits‑ und Skalierbarkeitsbewertung von Quantenkommunikation

Standardisierung & Zertifizierung von Quanten-Technologien

Standards und Prüfverfahren schaffen Vertrauen und industrielle Anwendbarkeit quantenbasierter Systeme.

  • Entwicklung von Standards (z. B. DIN SPEC 91480)
  • Standardisierung von APIs und Abläufen für Quanten-Software
  • Sicherheitsbewertung und Zertifizierung quantenbasierter Systeme
  • Benchmarking von Quantencomputern und Post-Quanten-Kryptographie

Wir stehen zu Ihrer Verfügung

Nikolay Vassilev Tcholtchev

Contact Press / Media

Prof. Dr.-Ing. Nikolay Vassilev Tcholtchev

Gruppenleiter Urbane IKT und Quantencomputing

Experte für Qrisp, Standardisierung, Quanten-Schlüsselverteilung und Sicherheitsberatung, Smart Cities

Telefon +49 30 3463-7175

Philipp Lämmel

Contact Press / Media

M.Sc. Philipp Lämmel

Stellv. Gruppenleiter für Urbane IKT und Quantencomputing

Experte für Smart Cities und Post-Quantum-Cryptography

Telefon +49 30 3463-7256

Hintergrundwissen

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  • Ein Quantencomputer nutzt quantenmechanische Effekte wie Superposition und Verschränkung, um bestimmte Rechenaufgaben wesentlich schneller zu lösen als klassische Computer.

  • Typische Anwendungsfelder sind Optimierungsprobleme (z. B. Verkehrsplanung), Simulationen (z. B. in Chemie und Materialwissenschaften), maschinelles Lernen und sichere Kommunikation.

  • Ja, erste Quantencomputer sind über Cloud-Plattformen zugänglich. Fraunhofer FOKUS unterstützt mit Tools wie Qrisp und Quantum DevOps den Einstieg und die Qualitätssicherung.

     

  • Qrisp ist eine von Fraunhofer FOKUS entwickelte Open-Source-Programmiersprache für Quantencomputer. Sie vereinfacht die Entwicklung komplexer Algorithmen und ist kompatibel mit verschiedenen Quantenplattformen.

  • Über die Fraunhofer Academy werden Weiterbildungen angeboten. Die Thinq Qrisp Community bietet zusätzlich Webinare, Lernmaterialien und Austauschformate für Entwicklerinnen und Entwickler.