Quantencomputing gilt als Schlüsseltechnologie für künftige Innovationen – von neuen Materialien und Pharmazeutika bis hin zu Optimierungen in Logistik und Energie. Für Deutschland und Baden-Württemberg besteht das Ziel darin, sowohl Entwickler als auch Anwender dieser Technologie zu werden. Das KQCBW verfolgt dieses Ziel entlang drei Arbeitslinien: Quantenalgorithmen für Chemie und Materialwissenschaften, die Integration von Quantencomputing mit Hochleistungsrechnen (HPC) sowie Methoden zur Kontrolle von Rechenfehlern.

»Der praktische Nutzen von Quantencomputing wird kaum durch isolierte Demonstrationen von Rechenüberlegenheit entstehen. Er hängt vom Fortschritt in mehreren Bereichen gleichzeitig ab: Hardware-Qualität und -Skalierung, Fehlerkorrektur bis hin zur Fehlertoleranz, auf konkrete Probleme abgestimmte Algorithmen sowie Vergleichsmaßstäbe, die einen ehrlichen Vergleich mit den besten klassischen Methoden erlauben. Im KQCBW untersuchen wir, ob und unter welchen Bedingungen Quantencomputer einen Vorteil für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen bieten können, und wir benennen die technischen Schritte, die noch erforderlich sind, um dorthin zu gelangen«, sagt Dr. Vamshi Mohan Katukuri, Projektleiter am Fraunhofer IAO.

Skalierbare Methoden für die Quantenchemie

Eine zentrale Herausforderung der Quantenchemie ist die Entwicklung von Verfahren, die auf für Wissenschaft und Industrie relevante Systemgrößen skalieren. Der im Projekt entwickelte Ansatz »qc-on-qc« adressiert diese Herausforderung: Er ermöglicht die Simulation größerer Molekülsysteme auf Quantencomputern, insbesondere metallorganischer Gerüstverbindungen mit stark korrelierten Elektronen. Mit Blick auf künftige fehlertolerante Quantencomputer entwickelt das Konsortium zudem ressourceneffiziente Algorithmen für die Quantenchemie. Dazu gehören Block-Encodings molekularer Hamiltonoperatoren – ein Verfahren zur effizienten Darstellung chemischer Rechenprobleme auf Quantencomputern. Diese ermöglichen den effizienten Einsatz von Methoden wie der Quantum Singular Value Transformation (QSVT) und reduzieren im Vergleich zu bisherigen Ansätzen die Anzahl der benötigten Zwei-Qubit-Gatter – zentrale Bausteine jeder Quantenschaltung – deutlich.

Materialien für Energiespeicher und -umwandlung

Weitere Arbeiten des Konsortiums befassen sich mit der Simulation von Materialien für Energiespeicher und Energieumwandlung. Untersucht wird unter anderem, wie sich besonders rechenintensive Teile materialwissenschaftlicher Berechnungen auf Quantencomputer übertragen lassen. Zum Einsatz kommen variationelle Algorithmen – iterative Verfahren, die klassische und Quantenberechnungen kombinieren – sowie Verfahren zur Fehlermitigation, mit denen sich der Einfluss von Störungen auf die Rechenergebnisse nachträglich reduzieren lässt. Erste Experimente wurden bereits auf realer Quantenhardware durchgeführt.

Fehler kontrollieren: Von heutiger Hardware zu logischen Qubits

Ein entscheidender Baustein auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern ist die Beherrschung von Fehlern. Das Konsortium forscht an der Schnittstelle von Quantenhardware und -software sowie auf algorithmischer Ebene unter anderem zu Fehlercharakterisierung und Fehlermitigation. Universitäre Partner arbeiten an der skalierbaren Implementierung von Quantenfehlerkorrektur und logischen Qubits.

»Ohne Fehlerkorrektur bleibt Quantencomputing Zukunftsmusik. Gleichzeitig können wir nicht warten, bis perfekte Systeme verfügbar sind – deshalb entwickeln wir im KQCBW sowohl langfristige Lösungen für logische Qubits als auch praktische Verfahren zur Fehlercharakterisierung und Fehlermitigation, die schon auf heutiger Hardware wirken«, sagt Dr. Thomas Wellens, Projektleiter am Fraunhofer IAF.

Von der Forschung zur Anwendung – KQCBW auf der Quantum Effects 2026

Neben seiner Arbeit an der Algorithmengestaltung definiert das KQCBW Use Cases, analysiert industrielle Anwendungsfelder und entwickelt hybride Quantum-HPC-Workflows, damit die Ergebnisse auch außerhalb des Labors genutzt werden können. Besucher und Besucherinnen der Quantum Effects 2026 können diese Ergebnisse an den KQCBW-Demonstratoren aus erster Hand erleben.

Über das KQCBW 

Unter der Leitung der Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF sowie für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO bündeln im Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg weitere Fraunhofer-Institute und Forschungspartner aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft ihre Kompetenzen für die Entwicklung und Anwendung von Quantencomputern für Forschung, Ausbildung und Wirtschaft. Im Fokus stehen die für Baden-Württemberg besonders wichtigen Branchen Materialwissenschaft, Chemie, Finanzwesen, Dienstleistungen, Handel, Maschinenbau, Produktion, Logistik. 

Daran beteiligt sind 13 Partner aus Universitäts- und außeruniversitären Instituten sowie 12 assoziierte Unternehmenspartner: Die Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF, Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Werkstoffmechanik IWM, Chemische Technologie ICT; DLR-Institute für Technische Thermodynamik und für Quantentechnologien; Universität Stuttgart, Universität Ulm, Universität Konstanz, Eberhard Karls Universität Tübingen, Forschungszentrum Informatik FZI und Duale Hochschule Baden-Württemberg DHBW. 

Assoziierte Partner: 

Böhringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG
EnBW Energie Baden-Württemberg AG 
Hochschule Heilbronn 
HQS Quantum Simulations GmbH 
IQM Germany GmbH 
Kipu Quantum  
Pfizer Pharma GmbH 
QC Design GmbH 
Quantistry GmbH 
Robert Bosch GmbH 
Tensor AI Solutions GmbH 
TOPTICA Photonics SE 
XeedQ GmbH

Das KQCBW bringt sich zudem als Teil der Geschäftsstelle der Landesinitiative Quantum^BW aktiv beim Ausbau des Quantentechnologiestandorts Baden-Württemberg ein und wird durch das Ministerium für Wirtschaft, Handwerk und Tourismus Baden-Württemberg gefördert.

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