Quantencomputing für die Fabrik

Quantencomputer können Dinge berechnen, an denen klassische Computer scheitern. Theoretisch. Praktisch sind sie Mimosen: Ein Lkw fährt vorbei, die Klimaanlage springt an, jemand schaltet im Nachbarraum das Licht an – und schon reagiert das System empfindlich auf die Änderung in der Umgebung. Deshalb stehen die Geräte bislang in hochspezialisierten Laboren, abgeschirmt wie Intensivpatienten. Für Unternehmen, die Quantencomputer produktiv einsetzen wollen, ist das ein Problem.

Hila Safi hat gemeinsam mit ihren Kolleg:innen dafür eine Lösung entwickelt, für die sie mit dem Inventor of the Year Award 2025 in der Kategorie "PhD" ausgezeichnet wurde: einen digitalen Zwilling, der simuliert, ob und wie ein Quantencomputer in einer normalen Industrieumgebung bestehen würde. „Mit dem digitalen Zwilling können wir Quantencomputer in realen Umgebungen betreiben – sicher, stabil und zuverlässig”, sagt die Doktorandin der OTH Regensburg.

Das Problem: Zu empfindlich für die echte Welt

Quantencomputer arbeiten mit Qubits – quantenmechanischen Informationseinheiten. Ein Qubit ist ein Zustand eines physikalischen Systems, der als Informationsträger dient und dabei quantentypische Phänomene wie Superposition oder Verschränkung aufweist.

Dabei sind die physikalischen Zustände der Informationsträger extrem fragil. Schon minimale Störungen reichen aus, um Berechnungen zu verfälschen: elektromagnetische Felder, selbst Veränderungen in der Raumstruktur. Was im Labor kontrollierbar ist, wird in einer Fabrikhalle zur Herausforderung.

„Ob ein Quantencomputer zuverlässig arbeiten kann, hängt stark von seiner Umgebung ab”, erklärt Safi. „Schon kleine Vibrationen oder Temperaturschwankungen können Fehler erzeugen – deshalb ist es so wichtig, diese Einflüsse früh zu simulieren und zu verstehen.”

Bisher fehlte für die Industrie die notwendige Verlässlichkeit. Ohne robuste und vorhersagbare Systeme bleibt der wirtschaftliche Einsatz riskant – zu viele offene Fragen in Bezug auf Standortbedingungen, Stabilität und Nutzen machen strategische Entscheidungen schwer.

Die Lösung: Erst simulieren, dann installieren

Hier setzt Safis digitaler Zwilling an. Er bildet einen Quantencomputer und seine Umgebung virtuell nach – bevor das echte System vor Ort steht. Das Modell kombiniert Umgebungssensoren, Fehlerstatistiken und Simulationen möglicher Störquellen mit den bekannten Eigenschaften der Hardware.

So lässt sich vorab klären: Kann der Quantencomputer in der Industrieumgebung funktionieren? Welche Fehler sind zu erwarten? Wie stark würden sie die Rechenqualität beeinträchtigen? Und was müsste man tun, um das System zu stabilisieren – etwa durch Abschirmung, alternative Platzierung oder angepasste Kalibrierung?

Ein Beispiel: In einer Produktionshalle laufen Transportroboter, Fertigungsanlagen erzeugen Vibrationen, Stromleitungen sorgen für elektromagnetische Störfelder. Der digitale Zwilling simuliert, wie sich diese Faktoren auf die Qubit-Stabilität auswirken würden. Das Ergebnis zeigt, in welchen Bereichen die Fehlerquoten tolerierbar wären – und wo nicht.

Auch während des Betriebs bleibt der Zwilling aktiv: Verändert sich die Umgebung durch bauliche Anpassungen oder neue Maschinen, erfassen Sensoren die Veränderungen und bewerten deren Auswirkungen.