Schulungsangebot Quantencomputing

Quantencomputer werden uns zukünftig helfen, die Welt besser zu verstehen und zu organisieren. Für Unternehmen birgt die Integration von Quantencomputing in ihre Geschäftsprozesse durch Geschwindigkeits- und Präzisionsvorteile großes Potenzial. Damit die Technologie von Entwickelnden und der Managementebene künftig besser eingeschätzt werden kann, ist ein fundierter Wissensaufbau über mögliche Anwendungsfälle und entsprechende Algorithmen notwendig. Außerdem kommt der akademischen Ausbildung des Nachwuchses und der Weiterbildung existierender Fachkräfte für Quantenanwendungen eine große Bedeutung zu. Um Interessierten die Funktionsweise und vielfältigen Anwendungen von Quantencomputern nahe zu bringen, bieten das Fraunhofer IAO und das Fraunhofer IAF ein Schulungsprogramm an, das erste Einblicke in wichtige Felder des Quantencomputings gibt. Vom Einstieg bis in tiefergehende Fragestellungen, ob mit oder ohne Vorkenntnisse – für jede(n) mit Interesse an Quantencomputing ist etwas dabei. 

Um das nötige Know-how zur effizienten Nutzung von Quantencomputern zu vermitteln, stehen an den beiden Fraunhofer-Instituten IAO (Stuttgart) und IAF (Freiburg) Ausbildungszentren mit leistungsfähigen Computer-Pools zur Verfügung. Hier befinden sich neun Workstations und mehrere klassische Hochleistungscomputer für Simulationen sowie Trainings- und Schulungszwecke mit cloudbasiertem Zugriff auf den IBM-Quantencomputer. 

Die Schulungen werden in Präsenz in Form von dreitägigen Kleingruppen-Schulungskursen angeboten. In interaktiven Formaten werden grundlegendes Wissen und Fähigkeiten vermittelt sowie individuell an die branchenspezifischen Anwendungsfälle der Teilnehmenden angepasste Algorithmik und Applikationen geschult. Aufbauend auf den Inhalten der Workshops wird es bedarfsgemäß zweitägige Intensivkurse geben, um das Gelernte zu vertiefen oder mit On-Demand-Modulen zu ergänzen. Ein Team aus erfahrenen Fraunhofer-Expertinnen und -Experten betreut die interaktiven Schulungen, die theoretische Vermittlung sowie praktische Übungen zur Programmierung eines Quantencomputers.

Im Folgenden sind die Inhalte für die Kleingruppen-Schulungskurse stichpunktartig zusammengefasst.

Basic Modul: Wissenschaftliche Grundlagen

• Grundkurs Quantenmechanik
• Grundkurs lineare Algebra
• Grundkurs Python & Qiskit
• Cloud-Zugriff IBM & D-Wave

Hardware Modul: Quantencomputing-Hardware 

• Physik der Systemarchitekturen
• Gatter- & Auslesefehler (Charakterisierung & Mitigation)

Algorithmen Modul I

• Einführung Quantencomputing
• Erste QC-Algorithmen (Grover, QFT)

Algorithmen Modul II (teilnehmendenspezifisch)

• Weiterführende QC-Algorithmen (QPE, Shor, HHL, QMC)
• Variationelle QC-Algorithmen (QAOA, VQE, VQLS)
• Quantum Machine Learning (Basics Machine Learning, QSVMs, Q(C)NNs)

Applikationsmodule (teilnehmenedenspezifisch)

• Energie (Optimierung Infrastruktur / Vorhersage Energiebedarf)
• Logistik (Routenoptimierung / Bedarfsvorhersage)
• Produktion (Produktionsketten / Defekterkennung)
• Finanzen (Portfoliooptimierung / Risikoanalyse / Betrugserkennung)
• Engineering (Fluiddynamik / Mischprozesse)
• Materialwissenschaft (Molekülsimulation / Transportgleichungen)

Das hiesige Schulungsprogramm zielt zum einen auf die Quantenausbildung von Entwickelnden und Forschenden. Dazu werden Spezialwissen im Quantenalgorithmik-Bereich vermittelt und erste Erfahrungen mit realen Quantencomputern wie dem IBM Quantum System One in Ehningen ermöglicht. Zum anderen adressieren spezifische Veranstaltungen des Schulungsprogramms auch Fragestellungen der Management-Ebene und geben einen weitreichenden Überblick und konkrete Handlungsempfehlungen, u. a. im Bereich der aktuellen Trends, Marktentwicklungen und der Wettbewerbslandschaft im Bereich Quantencomputing. 

Die nutzer- und interaktionszentrierten Schulungen in den QC-Schulungsräumen des Fraunhofer IAO und IAF ermöglichen es mittels vorgegebener Aufgabenstellungen, erste Erfahrungen mit IBM-Quantencomputern zu sammeln oder vorhandene Expertise weiter auszubauen, indem eigene Anwendungsbeispiele eingebracht werden.

Ergänzend ist eine kursübergreifende Veranstaltung inklusive der Begehung des Quantencomputers in Ehningen geplant.

Die Schulungsreihe Quantencomputing vermittelt fundierte Kenntnisse in Quantentechnologien und deren Programmierung, einen weitreichenden Überblick und konkrete Handlungsempfehlungen bezüglich der aktuellen Wettbewerbslandschaft, sowie erste Erfahrungen mit realen Quantencomputern wie dem »IBM Quantum System One« in Ehningen bei Stuttgart. 

Seit 2021 steht mit diesem erstmalig ein leistungsfähiger Quantencomputer auf europäischem Boden und somit im europäischen Rechtsraum zur Verfügung. Dieser Computer wird exklusiv von der Fraunhofer-Gesellschaft und ihren Partnern genutzt. Anwendende können hiermit eigene Expertise in der Programmierung von IBM-Quantencomputern aufbauen. Applikationsspezifische Algorithmen können, u. a. auf Basis der Quanten-Software Entwicklungsumgebung »Qiskit«, entwickelt und getestet werden. Der IBM-Quantencomputer in Ehningen bietet derzeit 27 Qubits und ein Quantenvolumen von 32 sowie verbesserte Fehlereigenschaften, wodurch Trainings von der essenziellen Algorithmik bis hin zu hybriden Softwarelösungen unter realistischen Bedingungen ermöglicht werden.