QuantumReady – die Verschränkung mit der Zukunf …

Quantencomputer haben das Potenzial, die digitale Welt zu revolutionieren. Dass sich die Technologie rasch von der Grundlagenforschung in Richtung industrieller Nutzung entwickelt, zeigen bereits erste vielversprechende Anwendungen.

Damit Österreichs Wirtschaft frühzeitig mit dieser Hochtechnologie experimentieren und von ihr profitieren kann, wurde im Jänner 2023 das wegweisende Projekt QuantumReady gestartet. In diesem 3-jährigen Kooperationsprojekt arbeiten Forscher des Software Competence Center Hagenberg (SCCH) gemeinsam mit Quanten-Informatikern der Johannes Kepler Universität Linz und den Industriepartnern ESS Engineering Software Steyr GmbH, HAKOM Time Series GmbH sowie QMware Austria GmbH zusammen, um heimische Unternehmen auf die Chancen und Herausforderungen der kommenden Quantum-Computing-Ära vorzubereiten. Gefördert wird das Projekt von Quantum Austria, einer Initiative des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung (BMBWF), über die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG.

Die derzeitige Hardwaregröße eines Quantenrechners erinnert an die Pionierzeit des Computers – geringe Leistung, (noch) unzuverlässig und groß wie ein Schrank. Aber wie uns die Geschichte zeigt, wird das nicht so bleiben. Mit Quantencomputern können in Zukunft bestimmte Aufgaben viel schneller gelöst werden als herkömmliche Hardware das jemals könnte.

Dieser Vorteil – auch „Quantenüberlegenheit“ genannt – lässt sich heute allerdings noch nicht in der Praxis umsetzen. Warum? Weil die Physik noch einige Entwicklungsfragen beantworten muss, um die Fehleranfälligkeit heutiger Quantencomputer mit zunehmender Rechenzeit und steigender Anzahl von Quanten-Bits besser in den Griff zu bekommen. Die Quantenpioniere sind sich aber einig: Die Quanteninformatik wird in naher Zukunft kommerziell genutzt werden können – insbesondere, weil es jüngst bei den universellen Algorithmen für Quantencomputer gute Fortschritte gab. „Quantum-Computer werden in den nächsten Jahren in der Praxis ankommen. Es ist wichtig, sich heute bereits darauf vorzubereiten und das Wissen aufzubauen, um dann zu profitieren, wenn die Hardware verfügbar ist.“ so Prof. Dr. Robert Wille, wissenschaftlicher Leiter des SCCH.

Wie lässt sich das Potenzial von Quantencomputern nutzen?

Das Projekt QuantumReady wurde deshalb ins Leben gerufen, um das Anwendungspotenzial zukünftiger Quantencomputer speziell für kleine und mittlere Unternehmen (KMUs) zu heben und gemeinsam die Entwicklungsstrategien für deren praktischen Einsatz zu entwickeln. Derzeit sind es vor allem große, international agierende, finanzkräftige Unternehmen, die mit Quantum Computing experimentieren. Diese multinationalen Konzerne erhoffen sich durch ihr Engagement nicht nur einen technischen Vorsprung, viel mehr fokussieren sie die Themenführerschaft, ganz nach dem Motto: „Wer heute experimentiert, muss morgen nichts aufholen.“

Quantum Computing bietet aber auch enormes Potenzial für die typischen Klein- und Mittelbetriebe, das Rückgrat der österreichischen bzw. europäischen Industrielandschaft. Viele dieser Betriebe sind Weltmarktführer in ihren Anwendungsdomänen. Um den Wettbewerbsvorteil durch neue Technologien nicht zu verlieren, sondern im Gegenteil weiter anzuschieben, ist es wichtig, dass sich insbesondere KMUs früh einen Überblick über mögliche Anwendungsgebiete verschaffen. So können sie sich bestmöglich auf die Chancen von Quantum Computing vorbereiten.

Die Projektergebnisse aus QuantumReady sollen KMUs helfen, besser beurteilen zu können, ob und inwiefern ihnen Quantencomputer einen Nutzen bringen. Und falls ja, wie sie entsprechende Anwendungen optimal und ökonomisch verträglich umsetzen können, um den technologischen Anschluss nicht zu verlieren. QuantumReady fungiert hier mit Wissens- und Technologietransfer als Schnittstelle zwischen interdisziplinärer Grundlagenforschung und konkreter industrieller Anwendung.

Das Ziel: Der Weg in die Praxis

Im Projekt QuantumReady arbeitet das SCCH zusammen mit der Johannes Kepler Universität Linz an verschiedenen industriellen Anwendungsfällen der Projektpartner ESS Engineering Software Steyr/OÖ sowie HAKOM Time Series GmbH Wien. Untersucht werden ausgewählte Problemstellungen aus den Bereichen Simulation, Optimierung und Zeitreihenvorhersagen. Die erarbeiteten Lösungsansätze und Algorithmen werden mit Unterstützung der QMware Austria GmbH auf realen Quantenrechnern implementiert und getestet. Das Ziel: Herausfinden, welche konkreten Vorteile Quantencomputer für diese Problemstellungen bieten können, und wie dieses Potenzial mittels verschiedener Quantum-Computing-Architekturen sowie -Algorithmen umgesetzt werden kann.

Für HAKOM Time Series, deren Datenmanagementplattform in der gesamten Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft eingesetzt wird, ist die Erwartung entsprechend groß. Smart Meter, Elektrofahrzeuge und dezentrale Erzeuger produzieren eine exponentiell steigende Datenmenge mit wachsenden Anforderungen an die notwendige Speicher- und Recheninfrastruktur. Neue Anwendungsfälle erfordern die Verarbeitung von immer mehr Daten in immer kürzerer Zeit, und Quantenalgorithmen sind eine vielversprechende Möglichkeit, diese Herausforderungen zu bewältigen.

„Auch unsere Kunden im Energiehandel und in der Stromerzeugung haben bereits Interesse an der Erforschung von Alternativen jenseits des klassischen Rechnens geäußert. Im Projekt QuantumReady wollen wir herausfinden, wie sich unsere Plattform PowerTSM in zukünftige Quantenarchitekturen integrieren lässt.“ sagt Dr. Ricardo Wickert, Leiter Forschung und Entwicklung bei HAKOM Time Series GmbH.

Von den im Projekt QuantumReady gesammelten Erfahrungen und erprobten Lösungsansätzen sollen möglichst viele Firmen profitieren, in erster Linie dabei KMUs. Mit Fokus auf diese Zielgruppe wird untersucht, wie ein Problem charakterisiert werden muss, um von Quantum Computing zu profitieren, welche Faktoren für eine effiziente Umsetzung berücksichtigt werden müssen, welche Quantum-Computing-Plattformen sich am besten eignen und wie erste Lösungsansätze durch Simulation und Implementierung auf realen Quantenrechnen erprobt werden können, um die tatsächlich erreichbaren Vorteile gegenüber klassischen Algorithmen auch zu quantifizieren. Kurz: Die Firmen werden bestens auf das mögliche Quantenzeitalter vorbereitet.

Forschungsinfrastruktur für Quantum-Anwendungen

Um die verschiedenen Lösungsvorschläge zu testen, baut das SCCH gemeinsam mit der QMware Austria GmbH für das Projekt eine leistungsstarke Rechner-Infrastruktur auf. Das SCCH stellt dazu den Zugang zum hauseigenen High-Performance-Computing-Cluster (basierend auf einem HPE Apollo 6500 gen10 plus System) bereit. Dieser erlaubt es, Quantum-Schaltkreise zu simulieren und so verschiedene Implementierungen von Quantum-Algorithmen zu testen – noch bevor diese auf realen Quantencomputern ausgeführt werden. So können Lösungsansätze rasch auf ihre Praxistauglichkeit untersucht werden. QMware ist Technologiepartner für hybride Quantum-Computing-Systeme und liefert für die praktische Umsetzung den Zugang zu hybriden Quantencomputern in der Cloud, die derzeit bereits die Grundlage für erste industrielle Anwendungen bieten.

Das Projekt QuantumReady ist Teil des Forschungsbereichs „Emerging Technologies“ am SCCH. Aus Sicht der Forschung liefert dieses Projekt durch die konkreten Anwendungsfälle und deren Umsetzung einen wichtigen Beitrag, da bisherige Ergebnisse aus der theoretischen Forschung an praktischen Problemstellungen evaluiert werden und mit diesem Feedback die weitere Forschung noch zielgerichteter vorangebracht und in Richtung industrieller Anwendung weiterentwickelt werden kann. Damit trifft dieses Projekt genau die Zielsetzung der anwendungsorientierten Forschung: Wissens- und Technologietransfer in beide Richtungen – von der Forschung in die Anwendung und zurück.

Autor:

Software Competence Center Hagenberg (Presseausendung vom 24.03.2023)

Bildquelle:

Projekt QuantumReady; Projektteam beim Kick-off-Treffen in Hagenberg (v.l.n.r.): DI Michael Doleschal (QMware), Dr. Chong Peng (ESS), Dr. Flavio Ferrarotti (SCCH), Jalal El-Youssef, BBA (QMware), Prof. Dr. Robert Wille (SCCH), Mag. Rudolf Ramler (SCCH), Dr. Ricardo Wickert (HAKOM), Mag. Sabine Stockinger (SCCH), Prof. Dr. Richard Küng (JKU)