Quantencomputing verspricht grundlegende Veränderungen und Leistungspotentiale für komplexe und zeitaufwendige Fragestellungen in verschiedenen Anwendungsbereichen in Wirtschaft und Gesellschaft. Doch wo im Schienenverkehr braucht man diese Technologie am Dringendsten? Wo könnte sie große Wirkungen erzielen? Welche Anwendungsszenarien sind geeignet? Und worin liegen besondere Herausforderungen? Das DLR und d-fine nähern sich diesen Fragen aus Eisenbahnperspektive, geben einen Einblick in das laufende Forschungsprojekt QC Mobility - Schienenverkehr der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) und laden in einem interaktiven Teil zur Diskussion ein.
Quantencomputing verspricht grundlegende Veränderungen und Leistungspotentiale für komplexe und zeitaufwendige Fragestellungen in verschiedenen Anwendungsbereichen in Wirtschaft und Gesellschaft. Doch wo im Schienenverkehr braucht man diese Technologie am Dringendsten? Wo könnte sie große Wirkungen erzielen? Welche Anwendungsszenarien sind geeignet? Und worin liegen besondere Herausforderungen? Das DLR und d-fine nähern sich diesen Fragen aus Eisenbahnperspektive, geben einen Einblick in das laufende Forschungsprojekt QC Mobility - Schienenverkehr der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) und laden in einem interaktiven Teil zur Diskussion ein.
Zusammenfassung Für den nächsten Konjunkturzyklus benötigen wir viel mehr Rechenkapazität und Computer mit Transistortechnologie kommen an ihre Grenzen. Es sind also neue Innovationen gefragt. Der Quantencomputer, der das binäre System aushebelt und nicht auf Mikroprozessoren aus Silizium basiert, könnte eine Lösung sein. Diese Technologie wird sich exponentiell weiter entwickeln und nachhaltige Auswirkungen auf Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft haben. Speziell die Quantenkommunikation bietet eine vollständig neuartige Möglichkeit verteilter Rechenleistung, indem sie erlaubt Quantencomputer über Quantenkanäle zu vernetzen und so intrinsisch sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dieser Artikel macht begreiflich, wie Quantencomputer neue Phänomene ausnutzen, die in der klassischen Physik nicht auftreten. Entlang vier identifizierter Haupteinsatzgebiete (Optimierung, Simulation, Maschinelles Lernen und Kryptographie) beschreiben wir Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Wir erklären wie technische Herausforderungen das Potenzial noch zurückhalten und wie der Quantencomputer als Ergänzung zu traditionellen Computersystemen einen großen Beitrag leisten kann. Entsprechend müssen Unternehmen nicht unbedingt in Quantencomputer investieren, sondern in deren Nutzung. Quantum als Service kann ein erster Schritt für visionäre Unternehmer sein, um sich damit vertraut zu machen und frühzeitig Wettbewerbsvorteile zu erlangen.
Quantencomputer ermöglichen es, bestimmte Berechnungen schneller, genauer und energieeffizienter durchzuführen als klassische Computer, indem sie quantenmechanische Phänomene ausnutzen. Da die Umsetzung der meisten Quantenalgorithmen allerdings Operationen benötigt für die Quantencomputer ungeeignet sind, z. B. Datenbankzugriffe, werden Quantencomputer typischerweise als Spezialprozessoren in hybriden Quantenanwendungen verwendet. Die Entwicklung und der Betrieb dieser hybriden Anwendungen sind komplex und erfordern eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit. Dabei wird tiefgreifendes Wissen aus unterschiedlichen Domänen benötigt, beispielsweise aus der Mathematik, Physik und Softwareentwicklung. Zusätzlich wird die Entwicklung und der Betrieb von Quantenanwendungen durch weitere Faktoren erschwert: (i) Die aktuelle Quantensoftwarelandschaft und die verfügbaren Quanten-Clouddienste, die Zugriff auf unterschiedliche Quantencomputer geben, sind sehr heterogen. (ii) Die schnellen Fortschritte im Quanten-Software-Engineering führen zur Einführung neuer Techniken, welche die Ausführung von Quantenschaltkreisen verbessern können, allerdings aktuell eine komplexe, manuelle Integration erfordern. (iii) Das Fehlen geeigneter Abstraktionsebenen führt dazu, dass die Entwicklung von Quantenanwendungen, insbesondere für Entwickler, die wenig Erfahrung mit Quantencomputing haben, zeitaufwändig und fehleranfällig ist. Um diese Probleme zu lösen, wird in dieser Arbeit die PASTA-Methode präsentiert. Diese basiert auf der Quantencomputingmustersprache, welche etablierte Konzepte und Best Practices in der Quantencomputingdomäne intuitiv verständlich dokumentiert, und stellt einen ganzheitlichen Prozess für diemusterbasierten Entwicklung und den Betrieb von Quantenanwendungen vor. Die Methode beinhaltet alle notwendigen Schritte von der Auswahl der zu verwendenden Quantencomputingmuster, über die Generierung der ausführbaren Quantenanwendung auf Basis wiederverwendbarer Lösungen sowie die Bereitstellung der erforderlichen Softwareartefakte, bis hin zur Überwachung und Analyse der Ausführung hybrider Quantenanwendungen. Zur Umsetzung der PASTA-Methode wird im Rahmen dieser Arbeit die Quantencomputingmustersprache um mehrere Muster erweitert, welche Best Practices für den Betrieb von hybriden Quantenanwendungen sowie etablierte Methoden zur Abschwächung und Korrektur von Quantenfehlern dokumentieren. Um die vom Nutzer ausgewählten Muster in einen ausführbaren Quantenworkflow transformieren zu können, werden eine Vielzahl neuer Workflowmodellierungskonstrukte eingeführt, welche die Spezifikation verschiedener, häufig auftretender Aktivitäten in Quantenworkflows vereinfachen. Weiterhin wird ein Ansatz für die automatische und dynamische Bereitstellung von hybriden Quantenanwendungen auf Grundlage von Nutzeranforderungen vorgestellt. Auf diesen Konzepten aufbauend werden neue Sichten auf Quantenworkflows eingeführt, welche die Überwachung und Analyse von hybriden Quantenanwendungen vereinfachen. Die Sichten ermöglichen es unterschiedlichen Nutzergruppen, wie beispielsweise Quantenexperten und dem Betriebspersonal, Quantenanwendungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu analysieren und bieten zusätzliche, für die jeweilige Nutzergruppe relevante Informationen. Zur Demonstration der praktischen Umsetzbarkeit der PASTA-Methode wird das PASTA-Framework eingeführt, welches die in dieser Arbeit eingeführten Konzepte prototypisch implementiert. Die Nutzbarkeit der Methode und des Frameworks werden anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert, für welche eine Laufzeitanalyse sowie eine Nutzerstudie durchgeführt wird.
Quantencomputer besitzen das Potenzial, um in naher Zukunft Probleme, die mit herkömmlichen Computern und Supercomputern nicht bewältigbar sind, zu lösen. Bisher ist die Umsetzung dieser Technologie in der Industrie noch in der Anfangsphase, wodurch der Einsatz von Quantencomputern bisher nur für Forschungsprojekte möglich ist. Dennoch ermöglichen es große IT-Unternehmen, interessierten Personen einen indirekten Zugang zu Quantencomputern über deren Services. Da die Technologien und Konzepte, auf denen Quantencomputern basieren, sehr umfangreich und komplex sind, ist es für interessierte Personen, die sich in diese neue Materie vertiefen wollen, oft schwierig, die Hauptkonzepte, die benötigt werden, um Quantencomputern zu verstehen, zu identifizieren und somit ein Grundverständnis von Quantencomputern zu erlangen. Aus diesem Grund besteht der Hauptzweck dieser Arbeit darin, die benötigten Grundkonzepte und Themen auf denen Quantencomputer aufbauen, zu identifizieren und auszuarbeiten. Hierfür werden die Konzepte von bekannten Lehrbüchern im Bereich Quantencomputer herangezogen und systematisch nach deren Wichtigkeit für das Verständnis von Quantencomputern gegliedert, aufgelistet und ausgearbeitet. Für den praktischen Teil der Arbeit werden zwei Quantenbeispiele anhand des zuvor erarbeiteten Wissens beschrieben und erweitert. Die zuvor identifizierten und beschriebenen Grundkonzepte werden anschließend grafisch mittels einer Concept-Map dargestellt, diese bietet einen systematischen Überblick über die einzelnen Konzepte und deren Abhängigkeiten zueinander. Der Vorteil in der Darstellung von Wissen mittels einer Concept-Map besteht darin, dass die Visualisierung der Verbindungen zwischen den einzelnen Konzepten hervorgehoben wird. Zusätzlich wird auf Basis des erarbeiteten Wissens ein Beispiel-Curriculum für eine Lehrveranstaltung, die das Ziel hat, die Grundkonzepte von Quantencomputern zu vermitteln, erstellt. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die Konzepte, auf denen Quantencomputer aufbauen, in drei Grundkompetenzen unterteilt werden können. Zum einen die Kompetenz der linearen Algebra, in dem die meisten Konzepte und Themen bereits in einem vorangegangenen Studium behandelt wurden. Zum anderen die der Informatik-Konzepte, wobei hier wie bei der linearen Algebra das Verständnis im Bereich der Programmierung angenommen werden kann. Die Kompetenz der Quantenmechanik stützt sich auf die Konzepte, die von Quantencomputern genutzt wird und auf die Kompetenzen und das Wissen der beiden anderen Kompetenzen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass für das reine Verständnis von Quantencomputern und dem Replizieren von bereits erstellten Quantenalgorithmen eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten benötigt wird. Für die Fähigkeit der Entwicklung von eigenen Quantenalgorithmen reicht das erarbeitet Wissen nicht aus, sondern wird als Grundwissen angesehen.
Zusammenfassung Die rasanten Fortschritte in der Wissenschaft, sowie der technologischen Entwicklung der letzten Jahre ermöglichen es, nun maßgeschneiderte Quanteneffekte auszunutzen und die Kontrolle und Manipulation von einzelnen Quantenteilchen zu ermöglichen. Diese häufig auch als 2. Quantenrevolution bezeichnete Entwicklung erschließt neue, mit klassischen Methoden nicht zugängliche Anwendungsbereiche von der Sensorik und Messtechnik bis zur Quanteninfomationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Diese neuartigen Komponenten und Systeme bergen ein großes Potential für eine breite kommerzielle Nutzung und sind daher für die europäische Wirtschaft ein hoch relevanter Zukunftsmarkt. In dieser Einführung soll neben einem kurzen Überblick über das Themenfeld der Quantentechnologien, ein Fokus auf die Grundprinzipien der Quantensensorik und ihren möglichen Anwendungen gelegt werden. Für die Überführung der Quantentechnologien aus dem forschungslabor in robuste und anwenderfreundliche Komponenten und Systeme, sind, neben dem Technologietransfer eng miteinander verzahnte Aktivitäten im Bereich der Standardisierung, Charakterisierung, Zertifizierung und Messtechnik, bis hin zu Themen der Weiterbildung und dem Wissenstransfer in Industrie und Gesellschaft notwendig. Hierzu können in einem ganzheitlichen Ansatz insbesondere die nationalen Metrologieinstitute mit ihrer Bündelung an QT-Infrastruktur und -Expertise in einem gemeinschaftlichen, europäischen Kontext beitragen.
Quantentechnologien (QT) sind ein aufstrebendes Forschungsfeld, das sich mit der Nutzung quantenmechanischer Phänomene, insbesondere der Verschränkung, für neuartige Anwendungen in den Bereichen Computing, Kommunikation und Sensorik beschäftigt. Obwohl die Quantenmechanik bereits Schlüsseltechnologien wie Laser und Transistoren ermöglichte, basierten diese früheren Innovationen nicht auf der gezielten Manipulation einzelner Quantensysteme oder verschränkter Zustände. In den 1990er Jahren begannen Physiker, Informatiker und Informationstheoretiker sogenannte Quantentechnologien der zweiten Generation vorzuschlagen, die aufgrund ihrer möglichen Auswirkungen auf kryptografische Sicherheit und Verteidigung großes Interesse weckten. Im Jahr 2016 unterzeichneten Tausende europäischer Quantenforscher das sogenannte Quantenmanifest, um eine milliardenschwere europäische Großinitiative zu fordern. Im gleichen Jahr stellte IBM seinen ersten Fünf-Qubit-Quantenprozessor der breiten Öffentlichkeit in der Cloud zur Verfügung, und China startete den weltweit ersten Quantenkommunikationssatelliten. Seither hat sich die Dynamik weiter verstärkt, sodass die Vereinten Nationen das Jahr 2025 offiziell zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärten. Diese rasanten Entwicklungen machen eine sorgfältige Technikfolgenabschätzung (TA) erforderlich, deren Ziel es ist, sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte Folgen des technologischen Fortschritts zu antizipieren. Neue und aufkommende Technologien wie QT stellen die TA dabei vor besondere Herausforderungen, da sie durch große Unsicherheiten, spekulative Erwartungen und potenziell tiefgreifende gesellschaftliche Auswirkungen geprägt sind. Die frühzeitige Beschäftigung mit diesen Herausforderungen ist entscheidend, um kritische Pfadabhängigkeiten zu erkennen und künftige Problemhorizonte effektiv zu adressieren. Die vorliegende Arbeit widmet sich zwei zentralen Forschungsfragen: (i) Wie können verantwortungsvolle Quantentechnologien von der QT-Community imaginiert, entworfen und umgesetzt werden? (ii) Welche Themen und kritischen Pfadabhängigkeiten sind für die verantwortungsvolle Entwicklung dieser Technologien relevant? Kapitel 1 bietet eine umfassende Bestandsaufnahme der QT und behandelt kommerzielle, akademische, technische, bildungspolitische und geopolitische Aspekte. Kapitel 2 analysiert, wie Verantwortung innerhalb der QT-Community verstanden, diskutiert und praktiziert wird. Kapitel 3 fasst die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln zusammen und identifiziert zentrale Bedingungen und Pfadabhängigkeiten für verantwortungsvolle QT-Zukünfte. Mit dieser explorativen Studie trägt die Arbeit explizit zur TA bei, indem sie QT exemplarisch nutzt, um den Umgang mit neuen Technologien besser zu verstehen. Sie identifiziert wesentliche Faktoren, die die Entwicklungspfade von QT prägen, und ermöglicht so die frühzeitige Antizipation technologischer, ethischer und gesellschaftlicher Herausforderungen. Ziel der Arbeit ist es, die TA mit neuen Erkenntnissen für den besseren Umgang mit Unsicherheiten und Komplexitäten in aufkommenden Technologiefeldern zu unterstützen.