Aiwanger: »Quantentechnik ist eine zentrale Schlüsseltechnologie der Zukunft. Daher muss der Freistaat als europaweit führender Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort die Nase vorne haben. München ist ein Spitzenstandort für Quantenwissenschaften und -technologien. Daher freut es mich, dass wir wichtige Kompetenzen in der Quantenforschung im Munich Quantum Valley gebündelt haben. Mit der Max-Planck-Gesellschaft, der Fraunhofer-Gesellschaft, der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und den beiden Exzellenzuniversitäten LMU und TU München arbeiten dort die Top-Forscher der Quantenforschung zusammen, um die Stellung Bayerns als herausragenden Wissenschaftsstandort in dieser Zukunftstechnologie auszubauen.«

Beim Besuch des Ultracold Strontium-Labors im Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) besichtigte der Staatsminister einen Quantensimulator, der auf Strontium-Atomen basiert. Die Technologie dieses Simulators soll die Hardware-Basis eines im Munich Quantum Valley entwickelten Quantencomputers werden. »Quantencomputer überzeugen mit einem Riesentempo in der Informationsverarbeitung. Die Förderung, die Teil der bayerischen Technologieoffensive Hightech Agenda Bayern Plus ist, soll die Forschung bei Quantentechnologien beschleunigen«, sagte Aiwanger.

Quantenoptik ist einer der Forschungsschwerpunkte an den beiden bayerischen Max-Planck-Instituten für Quantenoptik (Garching) und für die Physik des Lichts (Erlangen). Der Direktor des MPI für die Physik des Lichts, Prof. Florian Marquardt, freute sich über die Forschungsförderung: »Forscherinnen und Forscher in der Max-Planck-Gesellschaft haben bereits wichtige Durchbrüche im Bereich der Quantentechnologien erreicht. Dazu zählen unter anderem wegweisende Arbeiten zur Quantensimulation mit Atomen, zu den Grundlagen von Quantenrechnern sowie zur Quantenkommunikation mit Licht. Im Rahmen des Munich Quantum Valley werden MPG-Forschungsgruppen eng mit Partnern aus der Industrie, den Universitäten und der anwendungsorientierten Forschung kooperieren.«

Prof. Dr. Claudia Eckert, die Institutsleiterin des Fraunhofer-Instituts für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC, ergänzte: »Fraunhofer mit seinen transferorientierten Forschungsarbeiten ist der ideale Partner, um die Brücke zwischen Grundlagenforschung, angewandter Forschung und dem industriellen Einsatz zu schlagen. In die nun neu gestarteten Projekte des MQV bringt Fraunhofer umfassendes Know-how im Bereich der Quantentechnologie und des Quanten Computings ein – von der Entwicklung von Quanten-Algorithmen, u.a. zur Lösung von Optimierungsproblemen, bis zur Systemintegration von Hardware. Mit dem klaren Ziel, Quantentechnologie und Quanten Computing nutzbar zu machen, um die konkreten Herausforderungen der Industrie zu lösen.«

Das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWI) fördert die Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen der Initiative »Munich Quantum Valley« (MQV) bei den Projekten »Quantum Algorithms for Application, Cloud & Industry (QACI)« und »Scalable Hardware & Systems Engineering (SHARE)«. Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC, für Integrierte Schaltungen IIS, für Kognitive Systeme IKS und für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT.

QACI bringt QC in die industrielle Anwendung

Unter der Leitung des Fraunhofer AISEC entstehen bei QACI Werkzeuge und Prozesse, um Quantenanwendungen zu entwickeln, sowie Infrastrukturen und Simulationen, um Quanten Computing (QC) als Cloudservice zu nutzen. In enger Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen entwickelt QACI außerdem QC-Algorithmen, die konkrete Herausforderungen aus der Praxis lösen. Im Rahmen der Initiative MQV verantwortet das Fraunhofer AISEC bereits das Bayerische Kompetenzzentrum für Quanten Security and Data Science (BayQS). Es unterstützt Unternehmen dabei sogenannte Quantenvorteile zu identifizieren und mögliche Risiken für das geistige Eigentum aufzuspüren und zu minimieren.

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IKS stellen sicher, dass innerhalb von QACI entwickelte Softwarewerkzeuge und Methoden in industriellen Anwendungen mit genau definierten Sicherheits-, Robustheits- und Verlässlichkeitseigenschaften genutzt werden können. Diese Anwendungen betrachten beispielsweise die genaue Simulation von Batterien für E-Mobilität oder von Medikamenten, ebenso wie ein robustes Machine Learning zur Verbesserung von Workflows in Produktionsaufgaben der Industrie 4.0 oder in medizinischen und pharmazeutischen Lösungen.

Das Fraunhofer IIS erarbeitet bei QACI zum einen hybride Algorithmen im Bereich des Quanten Computing gestützten maschinellen Lernens zur Automatisierung des Quantenschaltkreisdesigns, zum anderen Lösungen zu auftretenden Optimierungsproblemen bei der Nutzung des Quantencomputers. Die adressierten Anwendungen des Quanten Computing reichen von komplexer Sensorik über komplizierte Planungsfragestellungen zur Optimierung und Prognose von Logistikprozessen bis hin zur Verbesserung von Mobilfunk-Anwendungen in der 5G- und zukünftigen 6G-Technologie.

Das Fraunhofer IISB trägt in QACI durch Arbeiten zu Data Analytics, Simulation und Optimierung dazu bei, die Eintrittsschwelle für Unternehmen bei der Nutzung von Quantenrechnern zu reduzieren.

SHARE skaliert die QC-Hardware-Fertigung

Die bereits heute an der Fraunhofer EMFT verfügbaren Mikro- und Nanotechnologien ermöglichen beim Projekt SHARE den Einsatz von Halbleiterbeschichtungs- und Strukturierungsverfahren zur Herstellung von Qubit-Chips und -Systemen. Das Ziel ist die Entwicklung einer Fertigungstechnologie für supraleitende Quantensysteme, mit dem Fokus auf Reproduzierbarkeit zur späteren Skalierung und Volumenfertigung von Qubit-Chips.

Bei SHARE entwickelt und liefert das Fraunhofer IIS skalierbare Hardware in Form von Geräten und integrierten Schaltungen für die Skalierung und Industrialisierung von Quanten-Computing-Ansteuer-Hardware auf Plattformen, die auf supraleitenden Qubits sowie Ionenfallen und Qubits mit neutralen Atomen basieren. Dabei werden Lösungen identifiziert und angeboten, die spezifische Anforderungen zur Skalierbarkeit der Quantencomputer sowie plattformübergreifende Anforderungen erfüllen.

Das Fraunhofer IISB arbeitet in SHARE an der Entwicklung von für die Quantenrechner nötigen Technologien. Es nutzt dabei seine umfassenden Vorarbeiten zu Halbleitermaterialien, -prozessen und -bauelementen sowie zur Simulation.