«FullStaQD»

Wie Europa mit Quantencomputing zum Vorreiter werden kann

Quantencomputing verspricht, komplexe Probleme neu zu denken – doch der Weg von der Forschung in die Anwendung ist noch lang. In Europa mangelt es dabei weniger an innovativen Ideen als an einem verbindenden Rahmen, der bestehende Initiativen zusammenführt. Genau hier setzt «FullStaQD» an: ein vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördertes Projekt am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO.

Ob in der Logistik, der Materialforschung oder bei datengetriebenen Analysen – viele globale Herausforderungen bringen klassische Computer an ihre Grenzen. Quantencomputing eröffnet hier neue und schnellere Perspektiven: Es lässt sich in bestehende Rechentechnologien integrieren und ermöglicht dadurch effizientere Lösungen für bislang kaum beherrschbare Problemstellungen. Weltweit werden bereits bedeutende Fortschritte in der Entwicklung von Quantenhardware erzielt. Gerade in Deutschland und Europa sind die Voraussetzungen günstig, eine Vorreiterrolle im Quantencomputing einzunehmen. Forschungseinrichtungen, Start-ups und Unternehmen treiben Entwicklungen in hoher Qualität voran. Allerdings entsteht ein Großteil dieser Aktivitäten unabhängig von einander, ohne eine verbindende Struktur.

«FullStaQD» greift diese Herausforderung auf. Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Projekt am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO verfolgt das Ziel, eine gemeinsame Struktur im Quantencomputing zu etablieren. Bestehende Entwicklungen sollen in einer ganzheitlichen Architektur gebündelt und damit die Grundlage für eine nachhaltige Nutzung der Technologie geschaffen werden. Gleichzeitig wird Quantencomputing für Endanwendende zugänglich gemacht und der Transfer vom Labor in die Anwendung beschleunigt.

Warum Quantencomputing anders ist

Klassische Computer verarbeiten Informationen auf Basis binärer Zustände: Jedes Bit kann entweder den Wert 0 oder 1 annehmen. Alle Berechnungen – von einfachen Operationen bis hin zu komplexen Simulationen – beruhen auf dieser eindeutigen Zustandslogik. Quantencomputer hingegen nutzen sogenannte Qubits, die auf quantenmechanischen Prinzipien basieren. Durch das Prinzip der Superposition können sie mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Hinzu kommt die Verschränkung, bei der mehrere Qubits miteinander gekoppelt sind und sich ihr Zustand nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben lässt. Diese Eigenschaften eröffnen völlig neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung. Bestimmte Rechenprozesse können parallel abgebildet und große Lösungsräume effizienter durchsucht werden. Besonders bei Optimierungsaufgaben in der Logistik und Verkehrsplanung oder bei der Simulation physikalischer Systeme wie Molekülen und Materialien bieten quantenbasierte Ansätze vielversprechende Perspektiven.

Dennoch ist Quantencomputing keine kurzfristige technologische Revolution, sondern Teil eines langfristigen Forschungsprozesses. Aktuell befinden sich viele Systeme noch im experimentellen Stadium: Die Hardware ist häufig fehleranfällig und stabile sowie skalierbare Qubit-Strukturen stehen erst am Anfang ihrer Entwicklung. Die Forschung lebt vom Austausch – und gerade für die schrittweise Integration in bestehende IT- und Systemlandschaften muss noch vieles erprobt und weiterentwickelt werden.

Vom Nebeneinander zum Miteinander: der Ansatz von «FullStaQD»

Das Vorgängerprojekt von «FullStaQD» ist «QCNext» – beide bauen unmittelbar aufeinander auf. Während in «QCNext» erfolgreich eine Referenzarchitektur für einen Quantencomputing-Software-Stack entwickelt wurde, konzentriert sich «FullStaQD» nun auf die konkrete Umsetzung und die Einbettung in kollaborative Ökosysteme. Im Mittelpunkt des Projekts steht daher die Entwicklung eines ganzheitlichen Software-Stacks, der die verschiedenen Ebenen des Quantencomputings miteinander verbindet.

Auf der Anwendungsebene werden konkrete Use Cases adressiert, etwa in der Optimierung oder Simulation. Darunter fungiert die Systemebene als Übersetzungs- und Orchestrierungsschicht und ermöglicht hybride Workflows zwischen klassischen und quantenbasierten Systemen. Die physische Ebene bildet schließlich das Fundament der Berechnungen und umfasst Fehlerkorrektur, Steuerung sowie die zugrunde liegende Hardware. Entscheidend ist dabei nicht die einzelne Ebene, sondern ihr Zusammenspiel. Erst durch funktionierende Schnittstellen und sogenannte Cross-Layer-Ansätze lassen sich Quantenanwendungen in reale Prozesse integrieren und ihr Potenzial tatsächlich nutzbar machen. So entsteht Schritt für Schritt eine Brücke zwischen technologischer Vision und praktischer Anwendung.

Ganzheitlicher Software-Stack für Quantencomputing im Projekt «FullStaQD»

Perspektiven aus der Anwendung

Ein prägendes Merkmal von «FullStaQD» ist die enge Verzahnung von technologischer Entwicklung und praktischer Anwendung. Das Projekt bringt Partner aus Forschung und Industrie zusammen, darunter das Karlsruher Institut für Technologie, die Technische Universität München sowie Unternehmen wie Kipu Quantum, ParityQC, eleQtron, die Bundesdruckerei und die Deutsche Bahn. Durch diese Zusammenarbeit können reale Anforderungen frühzeitig berücksichtigt und technologische Lösungen gezielt ausgerichtet werden. Gleichzeitig entsteht Raum für Austausch und gemeinsames Lernen.

Die Anwendungsbereiche von Quantencomputing sind äußerst vielfältig und reichen von materialwissenschaftlichen Fragestellungen, etwa der Simulation von Diamantpressungen, bis hin zu komplexen Optimierungsaufgaben wie der Planung von Streckennetzen im Verkehr. Ergänzt wird das Leitprojekt «FullStaQD» durch verschiedene Satellitenprojekte, die zusätzliche Software entwickeln und in den gemeinsamen Stack integrieren.

In Kooperation mit der Deutschen Bahn entsteht ein erster Anwendungsfall: Die Planung von Umläufen und Routen ist ein hochkomplexes Optimierungsproblem, bei dem zahlreiche dynamische Parameter berücksichtigt werden müssen – etwa Baustellenumfahrungen, zusätzliche Fahrten bei Großveranstaltungen oder kurzfristige Anpassungen im Störungsfall. Quantencomputing eröffnet hier neue Ansätze, zum Beispiel durch die effizientere Durchsuchung großer Lösungsräume oder schnellere Anpassungen an veränderte Bedingungen. Auch wenn sich diese Anwendungen derzeit noch im experimentellen Stadium befinden, zeigen sie das Potenzial eines integrierten und kollaborativen Entwicklungsansatzes.

Systemisches Denken als Leitprinzip

Das Projekt «FullStaQD» wird am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO von Philipp Kunst geleitet. Als Research Associate bringt er die Perspektive ein, die technologische Innovation und wirtschaftliche Anwendung miteinander verbindet. Sein Zugang zum Quantencomputing ist dabei kein klassisch physikalischer: Ursprünglich aus der Finanz- und Wirtschaftswelt kommend, näherte er sich dem Thema über Fragestellungen rund um Bewertung, Nutzen und algorithmische Modelle. Genau diese Sichtweise erweist sich als besonders wertvoll, denn beim Quantencomputing geht es zunehmend darum, theoretische Ansätze in reale Anwendungen zu überführen und deren wirtschaftliches Potenzial greifbar zu machen.

Für Kunst ist Quantencomputing daher weniger eine isolierte Technologie als vielmehr Teil eines größeren Ganzen. Im Rahmen von «FullStaQD» steht für ihn die Frage im Mittelpunkt, wie sich unterschiedliche Komponenten – von Algorithmen über Software bis hin zur Hardware – so zusammenführen lassen, dass ein funktionierendes Gesamtsystem entsteht. Dieser systemische Ansatz prägt die Ausrichtung des Projekts: einen übergreifend nutzbaren Software-Stack, der verschiedene Akteur*innen miteinander verbindet und damit die Grundlage für ein nachhaltiges Quantencomputing-Ökosystem schafft.

Kooperation als Grundlage eines funktionierenden Ökosystems

Mit «FullStaQD» wird ein wichtiger Impuls für die internationale Positionierung Europas im Quantencomputing gesetzt. Ziel ist es, die vielfältigen Kompetenzen im europäischen Forschungs- und Innovationsraum gezielt zusammenzuführen und so eine nachhaltige Grundlage für technologische Souveränität zu schaffen. Denn die Stärke Europas liegt nicht in einzelnen Initiativen, sondern in ihrer Vernetzung. Gemeinsame Standards, interoperable Schnittstellen und abgestimmte Strategien sorgen dafür, dass neue Technologien über Organisations- und Ländergrenzen hinweg anschlussfähig und skalierbar werden. So entsteht ein belastbares Umfeld, das wissenschaftlichen Fortschritt mit wirtschaftlicher Wertschöpfung verbindet und Innovationen schneller in die Anwendung bringt.

«FullStaQD» steht damit exemplarisch für einen europäischen Ansatz, der auf Zusammenarbeit, strategischer Vernetzung und langfristiger Wirkung basiert. Langfristig kann so ein innovationsstarkes Ökosystem entstehen, das den Transfer von Quantencomputing aus der Forschung in konkrete Anwendungen nachhaltig beschleunigt und Europas Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

(CDe)

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