Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme
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Quality Engineering für Quantencomputing

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KI generierter Quantencomputer in Berlin mit Mensch
© AI-generated

Die Euphorie um Quantencomputer und Quantentechnologie im Allgemeinen ist groß: Quantencomputer sollen künftig dabei helfen, komplexe Berechnungen in deutlich kürzerer Zeit zu ermöglichen, als es »klassische« Computer können. Sie sind theoretisch in der Lage, Verschlüsselungen zu knacken, bei der Optimierung von Verkehrsprognosen zu helfen oder die Entwicklung von Batterien bzw. neuen Materialien in der Chemie- und Pharmaindustrie zu beschleunigen.

Darüber hinaus kann durch die Nutzung von Quantentechnologien (Quantum Key Distribution) im Bereich der Telekommunikation Schlüsselmaterial (z. B. Zertifikate und Keys) vertrauenswürdig und sicher ausgetauscht und bestehende Netze gegen (staatliche) Hacker geschützt werden. Besonders in komplexen Einsatzbereichen, wie z. B. der Smart City, bieten Quantencomputer besondere Vorteile. Sie können dabei helfen, den Mobilitätssektor, Energiebereich oder auch Lieferketten zwischen Stadt und Land zu optimieren und bargeldlosen Zahlungsverkehr abzusichern.

Damit solche Anwendungen Realität werden, benötigen Nutzer von Quantencomputern eine logische Abstraktionsschicht, die Schnittstellen (APIs) für die Ausführung von Rechenprozessen auf Quantencomputern bietet. Fraunhofer FOKUS hat die höhere Programmiersprache Eclipse Qrisp entwickelt und als Open-Source-Technologie zur Verfügung gestellt. Sie hat sich in Industrie, Forschung und Lehre als Werkzeug für die Entwicklung von Quantenalgorithmen etabliert.

Des Weiteren werden spezielle Algorithmen (z. B. Optimierungsalgorithmen) für Quantenberechnungen benötigt sowie eine systematische Qualitätssicherung für diese Algorithmen und die dazugehörigen Prozesse (z. B. Quantum DevOps). Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Fraunhofer FOKUS arbeiten an der Entwicklung einer speziellen Middleware für Quantencomputer und der Adaptierung von Algorithmen an die Anforderungen solcher Rechner. Dabei muss die Sicherheit, Privatheit und der Datenschutz gewährleistet sein.

Im Bereich des Quantencomputings bieten wir unseren Kunden verschiedene Lösungen an:

  • Benchmarking von Quantencomputern sowie die Entwicklung von Standards (z. B. DIN SPEC 91480) für das systematische Testen anhand von fairen Performanz-Metriken und KPIs
  • Standardisierung wesentlicher APIs und Abläufe, z. B. in Zusammenarbeit mit der DIN und weiteren Gremien
  • Testen von quantenbasierten Systemen
  • Innovative Programmierkonzepte für Quantencomputer und Hybrid-klassische-quantum Abläufe/Algorithmen anhand des Programmierframeworks Eclipse Qrisp
  • Benchmarking von Post-Quanten-Kryptographie-Verfahren und -Algorithmen
  • Quantensicherer Austausch von Kryptomaterial in kritischen Infrastrukturen und Telekommunikationsnetzen (z. B. 5G)
  • Schulungen zum Thema Quantencomputing, z. B. über die Fraunhofer-Akademie