Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMQuantencomputer versprechen bahnbrechende Vorteile bei der Simulation von Molekülen, Materialien und chemischen Prozessen – doch wann und für welche Anwendungen lohnt sich der Einstieg wirklich? Das Projekt schafft die wissenschaftliche Grundlage und die Transferinfrastruktur, damit Unternehmen rechtzeitig die Weichen für den Einstieg in das Quantencomputing stellen können. Ein besonderer Fokus liegt auf Quantenchemie und Materialwissenschaft. Über eine eigene Quantum Cloud, ein umfassendes Schulungsprogramm und eine industrieorientierte Marktanalyse werden Unternehmen befähigt, die Potenziale des Quantencomputings frühzeitig für sich zu erschließen.
Kompetenzzentrum Quantumcomputing Baden-Württemberg 2025-2027
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und gesellschaftliche Herausforderung
Die Simulation chemischer und physikalischer Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern ist eine Schlüsseltechnologie für die Pharma-, Chemie- und Werkstoffindustrie. Klassische Computer stoßen dabei an fundamentale Grenzen. Die exakte Berechnung der Elektronenstruktur stark korrelierter Systeme skaliert exponentiell mit der Systemgröße. Dichtefunktionaltheorie (DFT) ermöglicht zwar Simulationen mit hunderten Atomen, kann aber starke Elektronenwechselwirkungen nicht auflösen. Quantencomputer bieten durch die direkte Abbildung elektronischer Vielteilchensysteme auf Qubits die Chance einer linearen Skalierung – und damit einen potenziellen Durchbruch für die Materialwissenschaft und Quantenchemie.
Lösungsansatz: Das Kompetenzzentrum KQCBW25 vereint 13 Forschungseinrichtungen aus Baden-Württemberg – fünf Fraunhofer-Institute, zwei DLR-Institute und sechs Hochschulen – in einem einzigartigen Verbund, der die gesamte Wertschöpfungskette des Quantencomputings abdeckt. So schafft das Projekt die wissenschaftliche Grundlage und die Transferinfrastruktur, damit Unternehmen rechtzeitig die Weichen für den Einstieg in das Quantencomputing stellen können.
Das Arbeitsprogramm gliedert sich in drei Module:
- Das Hardware-Modul baut eine serviceorientierte KQCBW Quantum Cloud auf und führt systematisches Benchmarking auf verschiedenen Plattformen durch.
- Das Software-Modul entwickelt Fehlermitigations- und Quantenfehlerkorrekturverfahren sowie Algorithmen für Quantenchemie und Materialwissenschaft.
- Das Transfer-Modul übersetzt die Ergebnisse in industrierelevante Aussagen: Ressourcenabschätzungen zeigen auf, unter welchen Bedingungen ein Quantenvorteil erwartet werden kann; eine Marktanalyse identifiziert die vielversprechendsten Branchen und Anwendungsfälle.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM entwickelt und implementiert Quantenalgorithmen zur Berechnung von Greenschen Funktionen und Response-Funktionen – zentrale Größen für das Verständnis elektronischer, magnetischer und optischer Eigenschaften von Festkörpern und Molekülen. Ein im Vorgängerprojekt KQCBW24 erfolgreich erprobter Algorithmus wird weiterentwickelt, der die Zeitentwicklung der Greenschen Funktion auf dem Quantencomputer simuliert und auch in der (Early) Fault-Tolerant Ära einsetzbar ist. Dabei werden Fehlermitigationsmethoden (insbesondere Probabilistic Error Amplification) integriert und der Ansatz auf allgemeine Response-Funktionen und neue Anwendungsfälle (über das Anderson Impurity Model hinaus) verallgemeinert.
Das Fraunhofer IWM implementiert die Methode der Quantum Selected Configuration Interaction (QSCI) / Sample-based Quantum Diagonalization (SQD) und erweitert sie erstmals auf die Berechnung von Response-Funktionen und als Impurity-Solver für die Dynamical Mean Field Theory (DMFT).
Des Weiteren werden Quantenalgorithmen für partielle Differentialgleichungen entwickelt (Schrödingerisierung für partielle Differentialgleichungen) und auf industrierelevante Probleme angewendet: Rissausbreitung in Festkörpern, Be- und Entladeprozesse in Batterien sowie Strömungsdynamik.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Quantencomputer-gestützte Berechnung elektronischer Eigenschaften von Materialien
Einsatz von QSCI/SQD- und Zeitentwicklungsalgorithmen zur Berechnung von Greenschen Funktionen, Spektralfunktionen und Response-Funktionen stark korrelierter Materialien – als Ergänzung und Erweiterung bestehender DFT/DFT+DMFT-Methoden. - Benchmarking – Quantenvorteil vs. klassische Methoden für Materialsimulation
Systematische Bewertung, für welche Materialklassen, Systemgrößen und Fragestellungen Quantenalgorithmen einen tatsächlichen Vorteil gegenüber den besten klassischen Verfahren (DFT, DMFT, Tensornetzwerke) bieten, inklusive Ressourcenabschätzung für verschiedene Hardware-Szenarien. - Quantenalgorithmen für industrielle PDGLn
Lösung partieller Differentialgleichungen (Rissausbreitung, Batteriesimulation, Strömungsmechanik) auf Quantencomputern mittels Schrödingerisierung – mit bewerteten Ressourcenbedarfen und Vergleich zu klassischen FEM/FDM-Methoden. - Hybrid-Workflows: Klassische Simulation + Quantencomputing
Integration von Quantenalgorithmen als Impurity-Solver in bestehende DFT+DMFT-Workflows auf klassischen HPC-Systemen.
Förderhinweis
