Wirtschaft digital Baden-Württemberg
  • Quantentechnologien -

    Der zweiten Generation

    Seit mehr als 100 Jahren sind Quantenphänomene bekannt. Teilweise werden sie bereits genutzt und bilden oft die Basis für moderne Technik wie Mikrochips, Breitbandinternet oder Satellitennavigation. Hierauf basierende Innovationen werden auch als sogenannte „Quantentechnologien der ersten Generation“ bezeichnet. Effekte wie Verschränkung und Überlagerung (Superposition) werden erst heute technologisch spezifisch nutzbar und bieten als „Quantentechnologien der zweiten Generation“ das Potenzial für völlig neue technische Lösungen. Sie haben sich zu einem forschungs- und wirtschaftsstrategischen Schlüsselbereich entwickelt, der als Grundlage unter anderem für hochpräzise Quantensensoren, der sicheren Quantenkommunikation oder neuartige Quantencomputer enormes Wertschöpfungspotenzial für neue Anwendungen in der Wirtschaft und mittelständischen Unternehmen im Land bieten.

    Quantencomputing

    Supercomputer der neuen Generation

    IT-Spezialist mit Laptop in Data Center voll von Rack-Servern. Konzept der High-Speed-Internet mit rosa Neon Visualisierung Projektion von binären Daten

    Herkömmliche Computer unterscheiden bei der Informationsverarbeitung nur zwei Zustände: 0 oder 1, auch bekannt als Binärcode. Abhängig von ihrer Bitanzahl stoßen sie trotz immer größer werdender Leistungsfähigkeit häufig an ihre Grenzen, denn analog zur Leistungsfähigkeit steigen auch die Leistungsanforderungen. Was wäre jedoch, wenn ein Computer neben diesen zwei Zuständen im Binärcode noch beliebig viele weitere Mischzustände unterscheiden könnte?  Im Gegensatz zu den Bits eines herkömmlichen Computers, kann ein Quantenbit (Qubit) beliebig viele Überlagerungen aus 1 und 0 einnehmen. Zudem lassen sich solche Qubits quantenmechanisch miteinander koppeln bzw. „verschränken“ und können einen gemeinsamen Gesamtzustand einnehmen. Diese Eigenschaften machen Quantencomputer zu einem parallelen Analogrechner, der für spezielle Aufgabenstellungen besonders geeignet ist. Die Möglichkeiten und Leistungspotenziale, die die Nutzung von Quantencomputern birgt, sind enorm. Quantencomputer können in wenigen Augenblicken bislang praktisch unlösbare Problemstellungen lösen für die herkömmliche Computer sehr viel längere Zeit bräuchten. Der Plan, das große Potenzial von Quantencomputern nutzbar zu machen, rückt deshalb über die Wissenschaft hinaus zunehmend in den Fokus von Unternehmen.

    Quantencomputer - Made in Germany und Baden-Württemberg

    Um bei diesem Paradigmenwechsel eine führende Rolle einzunehmen und ein internationaler Leuchtturm für Wissen und Technik in diesem Bereich zu werden, stellt die Bundesregierung innerhalb eines Konjunktur- und Zukunftspakets zur Förderung der Quantentechnologie weitere zwei Milliarden Euro für die Wirtschaft und Wissenschaft bereit, wobei die Akteure Hand in Hand gehen und Kompetenzen aus Industrie und Grundlagenforschung gebündelt werden sollen. Ziel ist es, bis 2025 die notwendigen Technologien für deutsche Quantencomputer zu entwickeln.

    Das Land Baden-Württemberg möchte zukünftig als Technologiestandort und führende Innovationsregion Europas einen entscheidenden Beitrag zur Erfüllung dieses Ziels beitragen. Unter anderem fördert das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg innovative Verbundforschungsprojekte zu verschiedenen Themenstellungen im Bereich der Quantenhard- und -softwareentwicklungfür das das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg innovative Verbundforschungsprojekte. Geforscht wird am und mit dem Quantencomputer »IBM Q System One«, der im baden-württembergischen Ehningen exklusiv für die Fraunhofer-Gesellschaft und ihre Partner installiert wurde. Universitäten, Hochschulen, Forschungsinstitute, Start-ups und Unternehmen verschiedener Größe bilden mit einem kooperativen Ansatz das Umfeld des Kompetenzzentrums in Baden-Württemberg.

     

    Digitale Datenströme im Rechenzentrum

    Neue Möglichkeiten durch Quantencomputing

    Ein Quantencomputer unterscheidet sich von klassischen Computern darin, dass seine Rechenleistung mit zunehmender Anzahl an miteinander verschränkten Qubits nicht wie bislang linear ansteigt, sondern exponentiell. Dementsprechend wachsen auch die Nutzungs- und Leistungspotenziale, wenn es gelingt, die Verschränkungszustände in Quantencomputern für spezielle Aufgabenstellungen einzustellen, bei denen zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen. Die folgenden Anwendungsbeispiele geben hierzu einen Einblick:

    Optimierung der Prozess- und Ressourcenplanung in der Industrie
    Ein Beispiel für den zukünftigen Einsatz von Quantencomputern liegt in der Optimierung von komplexen Produktions- und Fertigungsprozessen sowie Logistiksystemen, die abhängig von einer Vielzahl von Randbedingungen in Echtzeit aktualisiert werden müssen. Dies umfasst beispielsweise von der Planung des optimalen Zusammenspiels von einzelnen Fertigungsprozessen oder auch ganzen Produktionsabschnitten bis hin zur Optimierung von variablen Fahrtrouten und -ladungen im Transport- und Industriesektor.

    Schnellere und bessere Medikamentenentwicklung
    Ein weiteres Beispiel findet sich in der Medikamentenentwicklung. Die Entwicklung von Medikamenten ist aufgrund ihrer Komplexität und Wirkstoffzusammenhänge mühsam und langwierig. Bis zu einer Medikamentenzulassung können mehrere Jahre vergehen. Wissenschaftler könnten mithilfe von Quantencomputern molekulare Zusammensetzungen auf der Grundlage von quantenchemischen Modellen berechnen und simulieren, um schneller effizientere Medikamente zur Verfügung zu stellen.

    Neue Materialien durch effizientere Materialforschung
    Pionierarbeit könnten Quantencomputer ebenfalls in der Chemie und Materialforschung leisten. Selbst binäre Supercomputer stoßen in der Materialforschung, wenn es um molekulare Strukturberechnungen und –simulationen geht, an ihre Grenzen. Durch ihre Fähigkeit, parallelisierte Rechenoperationen gleichzeitig durchzuführen, könnten Forscher mit Hilfe von Quantencomputern erheblich mehr Hypothesen zum Verhalten neuer Materialien unter bestimmten Bedingungen untersuchen, als ihnen bislang möglich war. Dies könnte beispielsweise in der Entwicklung von leistungsfähigeren Elektrodenmaterialien in Batterien oder Katalysatoren in Brennstoffzellen für die Elektromobilität helfen.

    Autonomes Fahren und intelligente Verkehrssteuerung
    Autonom fahrende Fahrzeuge in ein umfassendes Mobilitätskonzept einzubinden stellt eine enorme Herausforderung dar, nicht zuletzt wegen der enormen Datenmengen, die dabei anfallen werden. Wie lassen sich Verkehrsströme unter Berücksichtigung ihrer Umgebung so intelligent steuern, das die Verkehrsinfrastruktur optimal genutzt wird? Ein Quantencomputer könnte unter Berücksichtigung von Variablen, wie zum Beispiel Ampelschaltungen, Tempobegrenzungen oder Verkehrsaufkommen den Verkehr besser planen und steuern.

    Um zukünftig auch im Bereich Quantencomputing Innovationsland Baden-Württemberg zu sein, strebt das Land mit seinen Unterstützungs- und Fördermaßnahmen aktive Weiterentwicklung der Technologie in der Wissenschaft und Wirtschaft an.

    Promotion programs

    More promotion programs

    Fördermöglichkeiten für Maßnahmen im Bereich Quantentechnologie.

    Ziel dieses Förderprogramms ist die Weiterentwicklung von Ideen aus bereits bestehenden EU-geförderten Projekten. Notwendig ist ein Vorprojekt aus den Förderprogrammen „EIC Pathfinder“, „FET“ oder „ERC Proof of Concept“, in dem die Realisierbarkeit einer bahnbrechenden Technologie im Labor nachgewiesen wurde (Technologiereifegrad 3). Von diesem ausgehend soll die Marktreife erhöht und ein Demonstrator in relevanten Einsatzumgebungen entwickelt werden. Anträge können allein oder in Konsortien aus 2 bis 5 Mitgliedern gestellt werden.

    Es gibt themenoffene Aufrufe (Transition Open) und auf bestimmte Herausforderungen fokussierte Aufrufe (Transition Challenges), deren Einreichfristen Sie der Webseite des Unterstützungsprojekts für Start-ups und KMU bei Horizont Europa (gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg) entnehmen können. Weiterführende Informationen entnehmen Sie bitte ebenfalls der Webseite des Unterstützungsprojekts.

    Sponsors
    EU
    Target group
    Start-ups, KMU + F&E-Einrichtungen

    Die Förderrichtlinie „Digitalisierung der Fahrzeughersteller und Zulieferindustrie“ dient der Förderung der umfassen-den Erforschung und Entwicklung (FuE) innovativer, datenorientierter Produktionsverfahren und der Implementierung von Industrie 4.0 in den Wertschöpfungssystemen der Fahrzeughersteller und Zulieferindustrie. Sie unterstützt das in der Nationalen Industriestrategie 2030 formulierte Ziel zur Stärkung neuer Technologien als entscheidenden Treiber des Strukturwandels. Auch die in der Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung verankerte Zielsetzung zur Stär-kung des Ideen-, Wissens- und Technologietransfers wird direkt angesprochen. Sie ist zudem in den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Juni 2020 gestarteten „Transformationsdialog Automobilwirtschaft“ und in der vom BMWi und Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) getragenen „Plattform Industrie 4.0“ eingebunden.

    Promotion Type
    Zuwendung wird als nicht rückzahlbarer Zuschuss
    Promotion area
    Gegenstand der Förderung sind prozessorientierte Einzel- und Verbundprojekte, die signifikante Teile einer Wertschöpfungskette abdecken z. B.: digitale Fertigungskonzepte, vernetzte Wertschöpfungsprozesse, digitaler Zwiling, Digitale Transparenz in der Fertigung.
    Sponsors
    Bund
    Target group
    Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft mit Bezügen zur Fahrzeug- und Zulieferindustrie, mit Sitz, einer Niederlassung oder Betriebsstätte in Deutschland sowie staatliche und nicht staatliche Hochschulen, Forschungseinrichtungen, öffentliche Einrichtungen und sonstige Einrichtungen mit FuE-Interesse
    Zweistufiges Antragsverfahren
    Contact person
    BMWi, kopa@bmwi.de

    Das InvestEU-Programm ist der Nachfolger der erfolgreichen Investitionsoffensive für Europa (Juncker-Plan). Es führt den Europäische Fonds für strategische Investitionen und 13 EU-Finanzierungsinstrumente unter einem Dach zusammen. Das InvestEU-Programm wird im Zeitraum 2021-2027 zusätzliche Investitionen in Höhe von mehr als EUR 372 Milliarden freisetzen und soll nachhaltigen Investitionen, Innovationen und der Schaffung von Arbeitsplätzen in Europa einen zusätzlichen Impuls verleihen.

    Das Programm besteht aus folgenden Elementen: 1) Der Fonds InvestEU dient der Mobilisierung öffentlicher und privater Investitionen unter Verwendung von Garantien aus dem EU-Haushalt. 2) Die InvestEU-Beratungsplattform bietet technische Beratung bei Investitionsprojekten, für die Finanzierungen benötigt werden. 3) Das InvestEU-Portal ist eine leicht zugängliche Datenbank, in der Projekte und Anleger zusammengeführt werden.

    Promotion Type
    Zuwendung als nicht rückzahlbarer Zuschuss
    Promotion area
    InvestEU-Fonds

    Der InvestEU-Fonds zielt darauf ab, öffentliche und private Investitionen in Höhe von mehr als EUR 372 Milliarden mittels einer EU-Haushaltsgarantie in Höhe von EUR 26,2 Milliarden zu mobilisieren, die die Investitionen von Durchführungspartnern wie der Europäischen Investitionsbank (EIB)-Gruppe und anderen Finanzinstituten absichert.
    InvestEU-Beratungsplattform

    Die InvestEU-Beratungsplattform bietet technische Unterstützung und Hilfe bei der Vorbereitung, Entwicklung, Strukturierung und Umsetzung von Investitionsprojekten, einschließlich des Aufbaus von Kapazitäten.
    InvestEU-Portal

    Das InvestEU-Portal bringt Investoren und Projektträger auf einer einzigen EU-weiten Plattform zusammen, indem es eine leicht zugängliche und nutzerfreundliche Datenbank der in der EU verfügbaren Investitionsmöglichkeiten bereitstellt.
    Sponsors
    EU
    Target group
    Unternehmen
    Contact person
    DLR Projektträger, Dr. Petra Oberhagemann, petra.oberhagemann@dlr.de
    4 Stapel Münzen