Info: Simulation mit Quantencomputing

Moderne Produkte werden immer komplexer – und damit steigen auch die Anforderungen an Simulation und numerische Berechnungen. Besonders in der Luft- und Raumfahrt, der Halbleiterindustrie und der Fertigung sind CFD-, elektromagnetische und Struktursimulationen zentrale Werkzeuge der Produktentwicklung. Je detaillierter die Modelle werden, desto stärker geraten klassische Rechner jedoch an Grenzen bei Rechenzeit und Ressourcen.

Quantencomputing könnte hier künftig neue Möglichkeiten eröffnen. Dabei geht es zunächst nicht darum, klassische Hochleistungsrechner zu ersetzen. Vielmehr zeichnen sich hybride Workflows ab, bei denen Quantencomputer gezielt einzelne, besonders rechenintensive Aufgaben innerhalb etablierter Engineering-Prozesse übernehmen.

Ein Beispiel liefert eine Untersuchung von Classiq und Rolls-Royce zur numerischen Strömungsmechanik. Dabei wurde ein Quanten-Linearsolver in einen bestehenden CFD-Workflow integriert. Der klassische CFD-Prozess steuerte weiterhin die Gesamtsimulation, während der Quantenalgorithmus einen internen Berechnungsschritt unterstützte. Der Workflow konvergierte auch mit einem näherungsweise arbeitenden Quanten-Solver. Ein untersuchter Ansatz konnte zudem den Bedarf an Quantenressourcen gegenüber einem alternativen Verfahren um mehr als eine Größenordnung reduzieren.

Auch Quanscient und Haiqu zeigen, wie die Technologie in Richtung komplexerer Anwendungen voranschreitet. Ihr neuer Ansatz für Quantum-CFD wurde in einem 15-stufigen Benchmark für nichtlineare Strömungen mit einem Hindernis auf einem IBM-Quantencomputer getestet. Durch die Reduzierung von Qubits und Rechenoperationen soll die Skalierbarkeit verbessert werden. Damit rückt die Simulation komplexerer Strömungen auf Quantenhardware ein Stück näher an industrielle Anwendungen.

Das zeigt einen wichtigen Weg für die industrielle Anwendung: Quantencomputing kann und muss nicht sofort die komplette Simulation revolutionieren. Schon die gezielte Unterstützung einzelner Berechnungsschritte könnte einen praktischen Mehrwert schaffen.

Für die Produktentwicklung ergeben sich daraus drei relevante Potenziale:

• höhere Simulationsgenauigkeit: Komplexere physikalische Zusammenhänge könnten detaillierter modelliert und mehr Designvarianten untersucht werden.

• kürzere Entwicklungszeiten: Aufwändige Berechnungen könnten schneller durchgeführt und Entwicklungszyklen verkürzt werden.

• effizientere Nutzung von Rechenressourcen: Quantencomputer könnten gezielt dort eingesetzt werden, wo klassische Verfahren besonders hohe Rechenleistungen benötigen.

Partnerschaften und Forschungsprojekte von Quantinuum mit Mitsubishi Electric und Synopsys sowie die Untersuchungen von Classiq und Rolls-Royce und Quanscient und Haiqu zeigen, dass sich die Diskussion damit zunehmend von der reinen Technologieperspektive hin zu konkreten Engineering-Anwendungen bewegt. Entscheidend wird sein, Quantenalgorithmen so in bestehende CAE-, CFD- und Designumgebungen zu integrieren, dass Ingenieure ihre etablierten Methoden, Modelle und Validierungsprozesse weiterhin nutzen können.

Für Aerospace & Defence ist das besonders relevant: CFD und andere physikalische Simulationen spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Flugzeugen, Triebwerken, Turbinen, Werkstoffen und komplexen Systemen. Je höher die Anforderungen an Effizienz, Sicherheit und Performance, desto wichtiger wird die Fähigkeit, physikalische Zusammenhänge bereits in frühen Entwicklungsphasen präzise abzubilden.

Quantencomputing könnte langfristig dazu beitragen, die „Rechenmauer“ klassischer Systeme zu verschieben – nicht durch einen radikalen Austausch bestehender Engineering-Methoden, sondern durch deren gezielte Erweiterung. Genau darin könnte einer der interessantesten Hebel für die Produktentwicklung der kommenden Jahre liegen.