Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen (QuaST)
Das Projekt QuaST ermöglicht kleinen und großen Unternehmen einen niedrigschwelligen Zugang zu Quantencomputern.
Zuverlässige und sichere Quantenanwendungen
Quantencomputing (QC)-gestützte Lösungen können industrielle Optimierungsprobleme erheblich voranbringen und damit Zeit und Geld sparen. Allerdings sind QC-gestützte Lösungen aktuell noch nicht für die breite Masse von industriellen Anwendern verfügbar. Dies liegt nicht nur an den Limitierungen der Quantencomputing-Hardware, sondern auch daran, dass tiefgehendes Informatik- und Physikwissen notwendig ist, um aktuelle Quantencomputer programmieren zu können. Allgemein fehlt ein niedrigschwelliger Zugang zu QC-gestützten Lösungen für Endanwender. Dies möchte das Projekt »QuaST – Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen« ändern.
Einfacher Zugang zu Quantencomputing für Unternehmen
Das Ziel des Projekts QuaST ist es, kleinen und großen Unternehmen einen niedrigschwelligen Zugang zu Quantencomputern zu ermöglichen. Industrielle Endanwender sollen mit nur minimalen Kenntnissen von QC-Hardware und QC-Software automatisiert leicht zugängliche und verlässliche QC-gestützte Lösungen für ihre Anwendungsprobleme bekommen. Im Kern des Vorhabens steht die Erforschung verschiedener Entwicklungswerkzeuge und Anwendungsbibliotheken, um Anwender in die Lage zu versetzen Probleme in der für sie gewohnten Programmiersprache zu formulieren. Vorbild ist hierbei der Erfolg der Künstlichen Intelligenz. Diesen Erfolg hat KI insbesondere der breiten und leichten Verfügbarkeit durch Software-Bibliotheken und Entwicklungswerkzeuge zu verdanken.
Damit sich auch das Quantencomputing für industrielle Anwender durchsetzen kann, bündelt das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Projekt QuaST Kompetenzen aus mehreren Fraunhofer-Instituten, der Fakultät für Informatik der Technischen Universität München (TUM), dem Leibniz-Rechenzentrum (LRZ), dem Experten für Hardware-Software-Co-Design IQM, sowie dem QC-Betriebssystem-Experten ParityQC und den Anwendungspartnern Infineon und DATEV. Die Leitung des Projekts liegt beim Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS.
Um garantieren zu können, dass die erarbeiteten Lösungen auch für unterschiedliche Optimierungsprobleme anwendbar sind, werden verschiedene Probleme der Anwendungspartner und weiterer assoziierter Partner bearbeitet. Diese kommen beispielsweise aus der Halbleiterfertigung und der Logistik oder beschäftigen sich mit der Optimierung von betriebswirtschaftlichen Prozessen.
Hybride Quantenalgorithmen verzahnen klassisches Computing und Quantencomputing
Der Fokus liegt im gesamten Projekt auf hybriden Quantenalgorithmen, denn sie sind am erfolgversprechendsten für den frühen Einsatz von Quantencomputing. Damit ist eine enge Verzahnung von klassischem Computing und Quantencomputing notwendig.
Damit diese enge Verzahnung klappt, arbeitet das Projekt QuaST an der automatischen Zerlegung der Optimierungsprobleme nach dem »Divide and Conquer«-Prinzip. Das Problem wird damit automatisiert in Teile zerlegt, die entweder klassisches Computing, High Performance Computing oder Quantencomputing erledigen können.
Die Teile, für die Quantencomputing notwendig ist, werden wiederum in einer »Quantum Divide and Compute«-Strategie in kleinere Quantenschaltkreise geteilt, um die aktuell verfügbare NISQ-Hardware (Noisy Intermediate-Scale Quantum-Technologie) optimal ausnutzen zu können. Damit lassen sich trotz der aktuellen Einschränkungen der Hardware größere Leistungssteigerungen erzielen.
Des Weiteren entwickelt das Projekt Werkzeuge und Methoden für die realistische Leistungsmessung und -analyse. Dadurch lassen sich die anwendungsbezogenen Vorteile für industrielle Optimierungsprobleme leichter ermitteln. Ein weiterer wichtiger Punkt ist außerdem ein Evaluations- und Verifikationsablauf für Quantencomputing-Software, der den zuverlässigen Einsatz von QC-Algorithmen ermöglicht.
Open Source Software-Werkzeuge für die flexible Nutzung von Quantencomputing
Um die Ergebnisse des Projekts nachhaltig zu verwerten, entwickelt das Projekt QuaST unterschiedliche Software-Werkzeuge und High-Level-Anwendungsbibliotheken. Diese hoch-spezialisierten Komponenten werden dann lizensiert oder in Open Source Software-Tools integriert. Somit sind die entwickelten Lösungen flexibel nutzbar und können in Ökosystemen für unterschiedliche Quantencomputing-Hardware-Technologien verwendet werden.
Außerdem wirken die Konsortiumspartner an der Entwicklung von Standards insbesondere im Bereich der Verknüpfung von High Performance Computing (HPC) und Quantencomputing mit. Eine Standardisierung von Schnittstellen zu existierenden HPC-Workflows wäre beispielsweise eine Möglichkeit Quantencomputing portabel einzubinden. Auch geeignete Programmierstandards würden die hybride Programmentwicklung leichter machen.
Damit die Hemmschwelle Quantencomputing zu nutzen insbesondere für KMUs fällt, bietet das Projekt QuaST darüber hinaus Schulungen und Online-Seminare zur Befähigung von Neuanwendern an. Durch die frühzeitige und kontinuierliche Kommunikation zwischen Softwareentwicklung und Anwendung werden zudem Erkenntnisse zur bestmöglichen Betreuung von Anwendern gewonnen, die in einem Best Practice Guide zusammengefasst werden.
Die Projektpartner
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (FhG) mit den Fraunhofer-Instituten IKS, AISEC, IIS und IISB
Technische Universität München (TUM)
Leibniz-Rechenzentrum der Bayrischen Akademie der Wissenschaften (LRZ)
IQM Germany GmbH
Parity Quantum Computing Germany GmbH (ParityQC)
Infineon Technologies AG
DATEV eG
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Weiterführende Informationen
»Unternehmen sollen vom Quantencomputing profitieren«
Das Projekt QuaST (Quantum-enabling Services und Tools für industrielle Anwendungen) geht an den Start. Die Leitung des Projekts liegt beim Fraunhofer IKS. Verantwortlich für QuaST ist PD Dr. habil. Jeanette Miriam Lorenz, Abteilungsleiterin am Fraunhofer IKS. Sie erklärt, um was es im Projekt geht.
Schwere Probleme leicht lösen – aber zuverlässig!
Quantencomputing hat immer noch den Ruf einer sehr experimentellen Spitzentechnologie, und doch arbeitet das Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS daran, deren immenses Potenzial für die Industrie nutzbar zu machen. Ein Beispiel dafür ist das Projekt QuaST.
Kontakt
PD Dr. habil. Jeanette Miriam Lorenz
Projektleiterin des QuaST-Projekts
Abteilungsleiterin Quantum-enhanced AI am Fraunhofer IKS
Hansastr. 32
80686 München
Telefon +49 89 547088-334
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
