Karlsruhe, 7. Oktober 2026 – Quantencomputer könnten künftig Aufgaben bewältigen, an denen klassische Rechner schwer zu knabbern haben: etwa die Entwicklung neuer Materialien oder die Planung von Lieferketten. Noch stehen die Geräte allerdings meist in Forschungslaboren, und ihre empfindliche Technik ist störanfällig.

Was bisher fehlt, ist ein gemeinsamer Bauplan für die Software. Im Forschungsprojekt FullStaQD arbeiten deshalb das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das FZI Forschungszentrum Informatik an einer ganzheitlichen Referenzarchitektur für Quantensoftware. Das KIT ist mit rund 700.000 Euro am Projekt beteiligt; insgesamt fördert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt FullStaQD mit rund 15 Millionen Euro.

Ein Bauplan, der Hardwarewechsel aushält

Viele bisherige Softwarelösungen sind eng an eine bestimmte Quantenhardware gebunden. Ändert sich die Technik, muss oft auch die Software angepasst werden. Diese Zersplitterung macht die Zusammenarbeit schwierig und bremst die langfristige Weiterentwicklung. Die Forschenden wollen verhindern, dass sich eine Situation wie in der Softwarekrise der 1960er-Jahre wiederholt: Leistungsfähige Computer waren vorhanden, geeignete Software fehlte aber.

Die Referenzarchitektur legt weder eine konkrete Hardware noch eine bestimmte Anwendung fest. Sie beschreibt, welche Aufgaben die einzelnen Ebenen eines Quantensoftwaresystems übernehmen und wie sie miteinander kommunizieren. So bleibt der Aufbau offen für künftige technologische Entwicklungen und lässt sich von mehreren Entwicklungsteams gemeinsam nutzen.

Vorgesehen sind drei Ebenen: Auf der Anwendungsebene laufen Programme für konkrete Aufgaben, etwa in der Logistik oder Materialforschung. Die Systemebene verbindet Anwendungen und Hardware. Darunter liegt die Hardwareebene – der Quantenrechner selbst. Anwendungen und Geräte sollen sich dadurch unabhängig voneinander weiterentwickeln lassen.

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Für Anwendungsentwickler bedeutet das: Sie müssten die technischen Einzelheiten der Hardware nicht kennen. Bestehende Programme könnten mit geringem Aufwand an verbesserte Quantenrechner angepasst werden. Umgekehrt ließen sich neue Hardwaretechnologien entwickeln, ohne jedes Mal die gesamte Software neu zu programmieren. Das klingt trocken, ist für die Praxis aber der Unterschied zwischen „machbar“ und „bitte alles noch einmal“.

Vom Labor in Richtung Industrie

Quantencomputer gelten als eine der vielversprechenden Technologien des 21. Jahrhunderts. Gleichzeitig wächst der internationale Wettbewerb um diese Technologie – auch vor dem Hintergrund geopolitischer Entwicklungen. Für die deutsche und europäische Konkurrenzfähigkeit sowie für technologische Souveränität braucht es deshalb umfassende, souveräne Quantencomputing-Infrastrukturen in Deutschland.

Der Quantencomputing-Software-Stack umfasst alle geschichteten Komponenten für Entwicklung, Betrieb und Nutzung von Quantencomputern: von der Hardware bis zur Anwendung, von der Forschung bis zur Industrie. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, das vorhandene Wissen über diese verschiedenen Schichten in ein durchgängiges, kommunizierbares Framework zu überführen. Schnittstellen sollen dabei vorrangig bearbeitet und Quasi-Standards entwickelt werden.

Das Projekt beschränkt sich nicht auf ein technisches Schaubild. Ein interdisziplinäres Konsortium entwickelt eine belastbare Referenzarchitektur für alle relevanten Software-Layer, ihre Schnittstellen und einen übergeordneten Integrationsrahmen. Dieser Rahmen soll modular um konkrete Software-Komponenten erweitert werden können. Aus der Architektur lassen sich dann verschiedene konkrete Instanziierungen ableiten – also unterschiedliche Umsetzungen für unterschiedliche Anforderungen.

Auf diese Weise soll die vielfältige Quantencomputing-Landschaft in Deutschland besser zusammenfinden als durch unverbundene Einzellösungen. Ergänzend entstehen geförderte Satellitenprojekte. Unternehmen können dort zusätzliche Software-Bausteine und konkrete industrielle Anwendungen einbringen. Ziel ist, Quantencomputing-Lösungen systematisch zu entwickeln und in bestehende Unternehmensprozesse zu integrieren, damit Firmen leichter Zugang zu neuen Wertschöpfungspotenzialen bekommen.

Open Source als gemeinsame Werkbank

Für die Referenzarchitektur ist eine Open-Source-Strategie vorgesehen. Sie soll Transparenz schaffen, der Quantencommunity die Mitarbeit ermöglichen und eine breite Nutzerbasis an den Software-Stack heranführen. Eigene Komponenten können beigesteuert, ausprobiert und weiterentwickelt werden.

Die Satellitenprojekte sollen eng mit dem parallel laufenden Leitprojekt zusammenarbeiten. Zum Projektstart stellt das Leitprojekt eine erste Version der Referenzarchitektur samt initialer Schnittstellenbeschreibung bereit. Danach werden Architektur und Schnittstellen agil und unter Beteiligung der Satellitenprojekte weiterentwickelt. Im Mittelpunkt stehen dabei nicht nur technische Fragen, sondern auch künftige Geschäfts- und Nutzungsmodelle.

In der nächsten Projektphase wollen die Forschenden die erforderlichen Softwarebausteine entwickeln. Die nun vorgestellte Architektur ist der erste Meilenstein von FullStaQD. Eine frei verfügbare Open-Source-Referenzimplementierung soll als nächster Schritt entstehen; ihre Vorstellung ist für 2027 angekündigt.

Die Referenzarchitektur ist bereits online verfügbar: fullstaqd.github.io/architecture/. Langfristig soll das Vorhaben die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie stärken, Abhängigkeiten bei Quantencomputing-Software verringern und dadurch indirekt auch Hardware-Abhängigkeiten reduzieren. Die nächste Software-Schicht wartet also schon – hoffentlich mit weniger Stolperdrähten als bisher.