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Titelbild Quantencomputing und Künstliche Intelligenz zählen zu den Schlüsseltechnologien der Zukunft. Unsere Wissenschaftler:innen am Fraunhofer ITWM erforschen, wie Quanten- algorithmen und moderne KI-Verfahren komplexe Herausforderungen schneller und effizienter lösen können. Der Tätigkeitsbericht 2025 gibt Einblicke in aktuelle Forschungs- projekte, innovative Anwendungen und die Menschen, die diese Technologien schon heute in die Praxis bringen – wie unsere Forschenden Dr. Ali Moghiseh und Dr. Henrike Stephani, die auf dem Titelbild zu sehen sind.
» Mit unserer Forschung wollen wir unsere Gesellschaft resilienter machen und die Wirtschaft stärken.« Prof. Dr. Anita Schöbel, Institutsleiterin des Fraunhofer ITWM www.itwm.fraunhofer.de 2
Editorial Liebe Leserinnen und Leser, in Ihren Händen halten Sie unseren Bericht über das Jahr 2025 – erstmals in einem kleineren Format, aber dennoch voller Ein- blicke in das zurückliegende Jahr am Fraun- hofer-Institut für Techno- und Wirtschafts- mathematik ITWM. 2025 war für uns ein Jahr der Veränderung. Wir haben uns nach einem internen Strate- gieprozess neu strukturiert und organisiert, um uns bestmöglich für die Herausforde- rungen der Zukunft aufzustellen. Denn wie wir alle wissen, hat sich die Welt um uns herum verändert. Mit unserer Forschung leisten wir einen aktiven Beitrag, um unsere Gesellschaft resilienter zu machen, die Wirtschaft zu stärken und Entscheiderinnen und Ent- scheidern Werkzeuge an die Hand zu geben, die sie dabei unterstützen, ver- antwortungsvoll zu handeln. Dafür setzen wir Mathematik als Schlüssel ein, der in vielen Branchen die Türen zu In- novationen und Effizienzsteigerungen öffnet. In diesem Bericht richten wir unseren Blick ganz besonders auf die Zukunftstechnolo- gien Künstliche Intelligenz und Quanten- computing und haben eine Auswahl aus unseren Projekten getroffen, die die Band- breite der Einsatzmöglichkeiten verdeut- licht. Viele weitere gute Beispiele finden Sie auf unseren Webseiten. Gerne stehen unsere Forschenden Ihnen bei Fragen zur Verfügung, wenn Sie sich nähere Informationen zu einem unserer Themen wünschen. Ich wünsche Ihnen eine angenehme Lektüre! Mit freundlichen Grüßen Prof. Dr. Anita Schöbel 3
Inhalt Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Das Institut im Profil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Unsere neue Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Woran und für wen wir arbeiten . . . . . . . . . . . . . . 8 Unser Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Menschen am Fraunhofer ITWM . . . . . . . . . . . . . 12 Aktuelle Projekte am Institut . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Unsere Veranstaltungen 2025 . . . . . . . . . . . . . . . 16 Schwerpunktthema Quanten und Künstliche Intelligenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Das Fraunhofer ITWM ist »Quantenort 2025« . . . 19 QUIP bildet Quanten- Nachwuchs aus . . . . . . . . . 20 Die Welt der Quanten am Fraunhofer ITWM . . . . 22 Künstliche Intelligenz für den Mittelstand . . . . . . 24 KI als Triebkraft für Biotechnologie . . . . . . . . . . . 26 Mehr Qualität für Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Digitaler Zwilling statt Stoffprobe . . . . . . . . . . . . 29 Computer, die denken wie ein Gehirn . . . . . . . . . 30 Abrechnungsbetrug schnell erkennen . . . . . . . . . 32 Mathematik zum Hören: Mini-Podcastserie zu KI und Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 30 Jahre Fraunhofer ITWM – Menschen machen Mathe! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Impressum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4
Das Institut im Profil Unsere neue Struktur Unser Institut hat sich in den vergangenen Monaten organisatorisch neu auf- gestellt. Damit haben wir zum einen auf veränderte wirtschaftliche und ge- sellschaftliche Rahmenbedingungen reagiert, zum anderen bereiten wir auch einen internen Generationswechsel vor. In den vergangenen drei Jahrzehnten ist unser Institut kontinuier- lich gewachsen – das bedeutet nicht nur einen Anstieg der Mitar- beitendenzahl, sondern auch eine Zunahme an Methoden, die zum Einsatz kommen und mehr Branchen, für die wir arbeiten. Um gemeinsam noch stärker am Markt agieren zu können und unsere Forschungsergebnisse zielgerichtet in Wirtschaft und Ge- sellschaft zu überführen, haben wir mit einer neuen Organisations- struktur die Weichen gestellt und unsere bisher neun Abteilungen in vier Bereiche überführt: Analytics und Computing Mathematik für Fahrzeuge, Systeme und Anlagen Prozesse und Materialien Optimierung Größere Einheiten vereinen nun ihre Kompetenzen und setzen neue Impulse – intern wie extern. Wir wollen voneinander lernen und uns gemeinsam zusammen weiterentwickeln. Mit den neuen Bereichen ermöglichen wir frische Impulse insbesondere für die Zukunft auf den digitalen Märkten und in der Energiebranche. Wir bündeln die Forschungsstärke mehrerer Abteilungen und er- weitern unser Produktspektrum. 6
Institutsleitung Prof. Dr. Anita Schöbel Zentrale Bereiche Verwaltung Dr. Markus Pfeffer/Holger Westing Kommunikation Dr. Nicolas Fröhlich IT-Services Christian Peter Wissenschaftliche Bereiche Optimierung Prof. Dr. Karl-Heinz Küfer Energie Life Sciences Operations Research Technische Prozesse Prozesse und Materialien Dr. Dietmar Hietel/Dr. Konrad Steiner Gitterfreie Methoden Materialcharakterisierung und -prüfung Materialsimulation Strömungsprozesse Mathematik für Fahrzeuge, Systeme und Anlagen Dr. Klaus Dreßler Bildverarbeitung und Inspektionssysteme Dynamik, Lasten und Umgebungsdaten Mathematik für die digitale Fabrik Reifensimulation Analytics and Computing Dr. Jens Krüger Finanzmathematik High-Performance Computing Gremien Kuratorium Prof. Dr. Arnd Poetzsch-Heffter Institutslenkungsausschuss Prof. Dr. Anita Schöbel Scientific Advisory Board Prof. Dr. Ralf Korn 7
Woran und für wen wir arbeiten Das Fraunhofer ITWM zählt zu den größten und bedeutendsten Forschungs- instituten für angewandte Mathematik weltweit. Wir sehen unsere Aufgabe darin, die Mathematik als Schlüsseltechnologie weiterzuentwickeln und sie praktisch nutzbar zu machen. Unser Ansporn: Eine Brücke zwischen der realen und der virtuellen Welt zu schlagen. Unsere Expertise in Modellierung und Simulation findet in zahlreichen unter- schiedlichen Branchen Anwendung und verschafft unseren Partnern entscheidende Wettbewerbsvorteile auf dem Markt, in- dem wir gemeinsam Prozesse optimieren und Produkte effizienter gestalten. Wir arbeiten vorrangig für diese Branchen: Biotechnologie und Medizin Energie- und Rohstoffwirtschaft Fahrzeugindustrie und Zulieferer Finanzwirtschaft Informationstechnologie Maschinenbau und Verfahrenstechnik Technische Textilien 40 35 30 25 20 15 10 5 36,1 39,7 41,4 41,6 23 % 26 % 28 % 16 % 78 41 % 36 % 30 % 25 % 43 % 41 % 44 % 46 % 2022 2023 2024 2025 45 4 65 239 Betriebshaushalt in Millionen Euro 431 Mitarbeitende im Jahr 2025 Institutionelle Förderung Öffentliche Projekte Industrieprojekte Wissenschaft Servicebereiche Auszubildende Promovierende Studentische Hilfskräfte 8
Unser Kuratorium Ein kompetentes Kuratorium berät uns in Fragen der fachlichen Ausrichtung und strukturellen Veränderung des Instituts. Zudem fördert es die Kontakte zu Organisationen und Industrie. Seine Mitglieder stammen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Prof. Dr. Nicole Bäuerle Dr. Christoph March Karlsruher Institut für Technologie KIT Bundesministerium für Forschung, Prof. Dr. Peter Benner Technologie und Raumfahrt Max-Planck-Institut für Dynamik Stefanie Nauel komplexer technischer Systeme Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Dr. Holger Beruda Landwirtschaft und Weinbau Procter & Gamble Service GmbH Rheinland-Pfalz Dr. Andreas Gerhardt Prof. Dr. Arnd Poetzsch-Heffter Ministerium für Wissenschaft und Rheinland-Pfälzische Technische Gesundheit Rheinland-Pfalz Universität Kaiserslautern-Landau Dr. Christoph Großmann BASF SE Andreas Klüter Empolis Information Management GmbH Dr. Edeltraud Leibrock Roland Berger Holding GmbH & Co. KGaA Prof. Dr. h.c. Gerhard Stahl Talanx AG Dr. Christof Weber Daimler AG 9
Unser Netzwerk Vernetzung innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft Ein großes Netzwerk und kluge Köpfe sind entscheidend für den Erfolg von Projekten. Unsere spezifischen mathematischen Kom- petenzen bringen wir innerhalb der Fraun- hofer-Gesellschaft ein. Wir sind Mitglied im Verbund für Informations- und Kommuni- kationstechnologie IUK, haben Gaststatus im Verbund MATERIALS und sind in ver- schiedenen Allianzen vertreten: Automobilproduktion Aviation and Space Batterien Bau Big Data und Künstliche Intelligenz Chemie Energie Ernährung Verkehr www.fraunhofer.de Fraunhofer-Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics Einer unserer wichtigsten internationalen Partner ist das »Fraunhofer-Chalmers Re- search Centre for Industrial Mathematics« in Göteborg. Dort arbeiten 53 Beschäftigte an schnellen Algorithmen, Multiphysik- und Echtzeitsimulation, Roboterbahnplanung, Bio- informatik und -statistik sowie Data Mining. Der Haushalt betrug 7,1 Millionen Euro. www.fcc.chalmers.se Leistungszentrum Simulations- und Software-basierte Innovation Forschung und Wirtschaft zusammenzu- führen, das ist die Mission unseres Leistungs- zentrums. Dort bündeln wir mit anderen Forschungsinstituten aus Kaiserslautern unsere Expertise und bringen gemeinsam mit Kooperationsunternehmen aus der Wirtschaft wissenschaftliche Ergebnisse schnell in die Anwendung. www.leistungszentrum-simulation-software.de 10
Felix-Klein-Zentrum für Mathematik Mit der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität (RPTU) Kaiserslautern-Landau arbeiten wir besonders eng zusammen. Nicht nur in zahlreichen Projekten, sondern auch im Felix-Klein-Zentrum für Mathematik (FKZM), der institutionellen Verbindung zwischen dem Fachbereich »Mathematik« und unserem Institut. Schwerpunkt ist die Nachwuchs- förderung. Diese gestaltet sich in Form von Modellierungswochen für Schulen oder Stipendien und einem Mentoren-Programm für Mathematik-Studierende aus. www.felix-klein-zentrum.de Spin-Offs Der erfolgreiche Forschungstransfer unseres Instituts zeigt sich auch in den inzwischen acht Ausgründungen, die wir seit 2009 auf den Weg gebracht haben. Bei neuen Ent- wicklungen sind sie weiterhin wichtige Partner unseres Instituts. fleXstructures – spezifische Engineering- Projekte und Dienstleistungen für die Simulation flexibler Bauteile LayerSense – Entwicklung einer Techno- logie zur Schichtdickenmessung für die industrielle Produktion Math2Market – umfangreicher Software- service, wie zum Beispiel GeoDict®, eine Innovative Simulationssoftware für digi tale Materialforschung und -entwicklung www.itwm.fraunhofer.de/netzwerke Produktinformationsstelle Altersvorsorge PIA – neutrale Stelle für die Chancen- Risiko-Klassifizierung geförderter Alters- vorsorgeprodukte Sharp Reflections – Big-Data-Rechen- technologien für die Zukunft der Seismik ThinkParQ – schnelle und skalierbare Lösungen für alle leistungsorientierten Umgebungen wie HPC, KI und Deep Learning UNEEC Systems – Vertrieb der hoch- effizienten Prozessortechnologie STX (Stencil und Tensor-Beschleuniger) Wendeware AG – Software-Ökosystem für die Energiewende 11
Menschen am Fraunhofer ITWM Anita Schöbel ist Technologiebot- schafterin für Kaiserslautern Unsere Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel ist eine von drei Technologiebotschafter:in- nen für die Stadt Kaiserslautern. Mit diesem Amt möchte sie dazu beitragen, den Stand- ort Kaiserslautern und seine Innovationskraft sichtbarer zu machen. 1 durch AHEAD, dem Technologietransfer- programm von Fraunhofer, bei der Grün- dung eines Start-ups namens MEDABSY unterstützt. Damit verlässt sie unser Institut nach erfolgreicher Promotion und Jahren als Teamleiterin als Chief Technology Offi- cers ihres eigenen Unternehmens. 2 Führungswechsel im Leistungszentrum Mit Fraunhofer AHEAD zum eigenen Start-up Dr. Petra Gospodnetić, die seit eines Prakti- kums während des Studiums bei uns in der Abteilung »Bildverarbeitung« tätig ist, wird Nach zehn Jahren erfolgreicher Leitung über- gibt Dr. Konrad Steiner seine Rolle als Ge- schäftsführer des Leistungszentrums für Simu- la tions- und Software-basierte Innovation in die Hände von Dr. Nicolas Fröhlich. 3 1 2 12 3
Dr.-Ing. Christoph Burkhart bereiteten 2025 den Start eines neues Unternehmens vor, das Vertrieb und Weiterentwicklung der Software »CDTire« übernimmt. 6 4 MESHFREE in der Tagesschau Strom weg – und niemand weiß, warum? Was würde eine Flut auf die Stadt Hamburg bedeuten? Für einen Fernsehbeitrag der ARD über Strömungs simulationen, die Prognosen zu Lawinen oder Hochwasser ermöglichen, lieferte unser MESHFREE-Team passende Simulationen. 4 5 Unser Experte Mathias Dalheimer erklärte im Interview mit Deutschlandfunk Nova mögliche Gründe, warum Regionen wie Spanien, Portugal und Teile Südfrankreichs im Jahr 2025 unerwartet ohne Strom waren. Auch Fragen nach einem Risiko für Deutschland und zur Sicherheit unserer Stromnetze beantwortete er. Auf dem Weg zur virtuellen Reifenentwicklung Erfolgreiche Habilitation Bevor Autos in Produktion gehen, werden ihre Designs virtuell getestet – besonders herausfordernd ist die realistische Simulation von Reifen. Dr. Manfred Bäcker und Unser Kollege Dr. Tobias Seidel aus dem Bereich »Optimierung« hat seine Habilitation 2025 erfolgreich abgeschlossen. © FOTO-by-SOUSA 5 13 6
Aktuelle Projekte am Institut Startschuss für Projekt »STELLAR« Effiziente Batterietechnologien sind entschei- dend, um die nationalen und europäischen Klimaziele zu erreichen. Im EU-geförderten Projekt »STELLAR« arbeiten wir gemeinsam mit 16 europäischen Partnern an der Ent- wicklung einer kosteneffizienten Testanlage zur sicheren und nachhaltigen Produktion von Lithium-Metall-Anodenfolien. 1 Landesregierung fördert neues Leichtbau-Projekt Leicht und doch stabil – diese Anforderungen müssen faserverstärkte Verbundwerkstoffe im Leichtbau erfüllen. Nachhaltig sollen sie auch sein. Vor allem dieser Aspekt steht im Fokus des neuen Forschungsprojekts »Predict-TPC«, das Forschende unseres Ins- tituts und des Leibniz-Instituts für Verbund- werkstoffe IVW gemeinsam bearbeiten. Das rheinland-pfälzische Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit unterstützt das Vorhaben mit 1,1 Millionen Euro. 2 Spatenstich für Erweiterungsbau Mit dem feierlichen Spatenstich fiel der Start- schuss für den Erweiterungsbau unseres In- stituts. Bund und Land investieren rund 31 Millionen Euro in das Bauvorhaben, das sich auf zwei weitere Gebäudeflügel sowie den Bau eines Technikums mit Forschungslabor und Werkstätten erstreckt. Der Neuau wird 228 Büroplätze auf 3.200 m² bieten, um un- sere Forschungsaktivitäten zu stärken und die Zusammenarbeit im Team zu fördern. 3 1 14 © RPTU 2 3
Neues ITWM-Forschungszentrum Transparentere Altersvorsorge Mit Unterstützung der EU und des Landes Rheinland-Pfalz errichten wir am Standort ein neues Prüflabor im Technikum zur Reifen- forschung. Ziel ist die Weiterentwicklung Digitaler Zwillinge, um Reifen bereits in der Entwicklungsphase zu optimieren. So sollen beispielsweise Reifenabrieb, Verschleiß und Geräusch entwicklung reduziert werden. 4 5 Hoffnungsträger Ammoniak Was kann Ammoniak für die Energiegewin- nung leisten? Gemeinsam mit dem Fraunhofer IMM und dem Fraunhofer UMSICHT forschen wir im Fraunhofer-Leitprojekt »Ammon- Vektor« daran, Ammoniak als effizienten Träger für Wasserstoff nutzbar zu machen. Altersvorsorgeprodukte sind komplex und schwer vergleichbar. Gemeinsam mit der Debeka entwickeln wir wissenschaftlich fundierte Modelle und Bewertungsrahmen, die eine transparente und nachvollziehbare Darstellung ermöglichen. Neues Qualitätssicherungs-Projekt Unternehmen wollen so effizient wie möglich produzieren, Maschinen optimal auslasten und keine Ressourcen verschwenden. Im Projekt »Re(Pro)³« erforschen wir, wie Inline- Prozess- und Produktüberwachung dabei helfen können. Das rheinland-pfälzische Ministerium für Wissenschaft und Gesund- heit fördert das Projekt. 6 4 5 15 6
Unsere Veranstaltungen 2025 Die Nacht, die Wissen schafft Kaiserslautern wandelt sich, der Wissen- schaftssektor gewinnt für die Stadt immer mehr an Bedeutung. Bei der »Nacht, die Wissen schafft« boten zahlreiche Forschungs- einrichtungen Einblicke in ihre Arbeiten – und unser Institut war natürlich auch dabei. Fast 1.000 Menschen fanden den Weg zu uns. 1 Wissenschaftler folgten der Einladung unserer Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel und von Prof. Dr. Bernd Simeon vom Fachbereich »Mathematik« der Rheinland- Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern- Landau (RPTU). 4 Veranstaltungen des Felix-Klein- Zentrums KLAIM 2025: Mathematik verbindet Intensiver Austausch und Vernetzung prägten auch die dritte Ausgabe der Kaiserslautern Applied and Industrial Mathematics Days – KLAIM: Über 60 Wissenschaftlerinnen und Das Felix-Klein-Zentrum für Mathematik ist die Verknüpfung des Fachbereichs Mathe- matik an der RPTU in Kaiserslautern mit unserem Institut. Mathematik-Begeisterte sollen hier gefördert werden – ganz gleich ob Schüler:innen, Studierende oder Lehr- kräfte. Sowohl die Herbstschule für 16 1 2 3
4 Stipendiatinnen und Stipendiaten als auch die Math Talent School für Schülerinnen und Schüler und das MINT-EC-Girls-Camp fanden 2025 wieder an unserem Institut statt. Eine neu gestaltete Website informiert seit dem letzten Jahr ausführlich über das Angebot für Mathematik-Fans. 42kaiserslautern – Neue Location für die Wissenschaft Wissenschaft mitten in der Kaiserslauterer Innenstadt – das gibt es seit dem Frühjahr 2025. Das 42kaiserslautern ist ein Ort für den Austausch zwischen Wirtschaft, Ge- sellschaft und Wissenschaft. Als Partner gestalten wir das Angebot mit und machen unsere Forschung für Menschen außerhalb der Forschungswelt erlebbar. 2 Girls‘Day 2025 Am bundesweiten Girls‘Day 2025 haben Schülerinnen aus Kaiserslautern und Umge- bung einen Blick hinter die Kulissen unseres Instituts geworfen. Von Mathematik in der Fahrzeugentwicklung über Bildverarbeitung mit KI bis hin zur Optimierung konnten sie erleben, wie vielseitig unsere Arbeit ist. 3 Alumni am Jahresende zu Gast Let’s stay connected – das ist unser Motto beim jährlichen Alumni-Treffen. Unser Key- note-Speaker 2025, Dr. Martin Obermayr, ehemals im Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung«, heute bei ZF Fried- richshafen AG in der Industrie, gab Einblicke in die virtuelle Produktfreigabe. 17
Das Fraunhofer ITWM ist »Quantenort 2025« Das Jahr 2025 erklärten die Vereinten Nationen zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie. So würdigen sie das 100-jährige Jubi- läum der Entwicklung der Quantenmechanik. Als »Ort der Quantenforschung« hat sich unser Institut mit Bildungsangeboten und weiteren Veranstaltungen am Jubiläumsjahr beteiligt. Das »Quantenjahr« rückte die praktische Anwendungsorientierung quantentechno- logischer Forschung in den Fokus. »Wir am Fraunhofer ITWM arbeiten daran, theoreti- sche Quantenforschung und industrielle Umsetzung zusammenzubringen«, sagt Dr. Pascal Halffmann, Forschungskoordinator »Quantencomputing« des Fraunhofer ITWM. »Wir sehen es als unsere Aufgabe, Unter- nehmen zu zeigen, welche Potenziale die Technologie mit sich bringt und sie frühzei- tig beim Entwickeln geeigneter Strategien zu unterstützen.« Wir erforschen, welche konkreten Anwendungsszenarien für das Quantencomputing geeignet sind und ent- wickeln entsprechende Algorithmen und Softwarelösungen. Unser Beitrag zum industriellen Quanten- computing: Mathematische Methoden zur Ent- wicklung und Validierung von Quanten- algorithmen Hybride klassisch-quantische Work- flows: Modellierung, Optimierung und Simulation Industrienaher Use-Case und Transfer in die Praxis Koordination der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, einschließlich Data-Science-Ansätzen Zugriff auf HPC- und Quantencomputing- Infrastruktur zur schnellen Umsetzung von Forschungsergebnissen www.itwm.fraunhofer.de/qc 19
QUIP bildet Quanten- Nachwuchs aus Im Projekt »QUIP«, der Quanten-Initiative Rheinland-Pfalz, steht der wissenschaftliche Nachwuchs im Mittelpunkt. Projektleiter Dr. Ali Moghiseh und Dr. Alexander Geng mit den von ihnen betreuten Prakti- kant:innen. An unserem Institut fördern wir junge Forschende mit gezielten Maßnahmen zum Thema Quantencomputing (QC) und Quanten- technologien (QT) und arbeiten eng mit unseren Projektpartnern der RPTU Kaiserslautern-Landau, dem DFKI sowie der Johannes-Guten- berg-Universität in Mainz zusammen. Das vom rheinland-pfälzischen Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit (MWG) geförderte 20
Dr. Alexander Geng auf dem Frühjahrs- treffen SAMOP der Deutschen Physikali- schen Gesellschaft in Mainz 21 Projekt bietet Möglichkeiten zur Aus- und Weiterbildung sowie zur Vernetzung. QUIP ist der zentrale Ansprechpartner zum Thema Quantentechnologien in Rheinland-Pfalz und hat sich folgende Ziele gesetzt: Vernetzung und Koordination der Quantentechnologien in Rheinland-Pfalz Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses auf dem Gebiet der Quantentechnologien Ausbildung von Fachkräften für die Unternehmen in Rheinland-Pfalz und darüber hinaus Bereitstellung von Informationen für die Industrie und die Öffentlichkeit Durch die Förderung besteht für uns am Institut die Möglichkeit, unser Wissen rund um die Quantentechnologien mit wissenschaft- lichem Nachwuchs, aber auch mit interessierten Beschäftigten aus Unternehmen zu teilen. Ein Beispiel aus dem Jahr 2025: Wir durften drei internationale Nachwuchsforschende für Praktika bei uns be- grüßen. Ana-Maria Pangeva und Dimitar Ivanov kamen beide aus Sofia zu uns, Yassine Ferhi aus Paris. Einen ausführlichen Bericht über die Erfahrungen der drei gibt es auf unserer Webseite. www.itwm.fraunhofer.de/quip
Die Welt der Quanten am Fraunhofer ITWM Treffen EU/ME an unserem Institut Was kann Quantentechnologie heute schon leisten, woran arbeiten Forschende und wie verändern Quanten die Mathematik? Über Fragen wie diese diskutieren die Teil- nehmenden des Treffen der European Metaheuristics Community (EU/ME). Dieses fand 2025 zum ersten Mal in Deutschland und an unserem Institut statt. Die rund 60 Teilnehmenden beschäftigen sich drei Tage lang mit innovativen Optimierungsmethoden an der Schnittstelle von Metaheuristiken und quantenbasierten Ansätzen. Für Pro- movierende gab es zusätzlich eine Sommer- akademie. Praktische Workshops ermög- lichten Einblicke in das Arbeiten mit Quantencomputern. 1 2 Projektstart »UpQuantVal« Ein starkes europäisches Zentrum der Quantenwissenschaften zu etablieren, das ist das Ziel des Projekts »UpQuantVal«. Es wird kofinanziert von der Europäischen Union über Interreg, dem Programm für Europäische Territoriale Zusammenarbeit. Insgesamt 19 Partner aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz bilden ein internationales Konsortium, das vom Europäischen Zentrum für Quantenwissen- schaften der Universität Straßburg und dem CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique, Straßburg) geleitet wird. Im Fokus der Zusammenarbeit stehen Markt- analysen und die Prüfung der Marktreife von Quantentechnologien, die als Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte dienen. Laufzeit: Drei Jahre ab März 2025. 3 22 1 2
Fraunhofer bietet Unternehmen Quantencomputing-Rechenzeit Das Industrielle Quantencomputing Be- ratungs- und Testzentrum Fraunhofer »INQUBATOR« bietet Unternehmen den Einstieg in das Quantencomputing. Vier Fraunhofer-Institute sind an dem Projekt beteiligt. Gemeinsam mit Unternehmen werden neue anwendungsbezogene Use- Cases identifiziert und evaluiert, um den Einsatz von Quantencomputing weiter zu erforschen und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft zu sichern. Das Projekt wird vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF unter der Leitung von Prof. Dr. Rüdiger Quay ko- ordiniert und vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert. Laufzeit: Vier Jahre ab November 2025. Zertifizierte Quantencomputing-Schulungen Unsere Quanten-Spezialisten bieten eine Reihe an immer wieder kehrenden Schu- lungen gemeinsam mit anderen Fraunhofer- Instituten, der Fraunhofer-Allianz Big Data und Künstliche Intelligenz und der Fraunhofer Acadamy an, darunter Quantum Computing Basics, Quantum Machine Learning, Quan- tum Image Processing sowie Highlevel Quantum Computing. 4 Eine eigene Webseite bietet den Überblick über diese Aktivitäten: www.itwm.fraunhofer.de/qc-schulungen Quantenort Kaiserslautern In Kaiserslautern forschen nicht nur wir am Fraunhofer ITWM rund um die Quantentechnologie – wir sind eng vernetzt mit der RPTU Kaiserslautern- Landau, wo seit vielen Jahren Spitzenforschung in Quantenphysik und -tech- nologien betrieben wird. An der RPTU in Kaiserslautern sind mehrere weg- bereitende Sonderforschungsbereiche und Forschungsprojekte angesiedelt. © Nicolas Busser 3 23 4
Künstliche Intelligenz für den Mittelstand Wer heute noch zögert, Künstliche Intelligenz (KI) im Unternehmen einzusetzen, riskiert den Anschluss zu verlieren. Denn KI spart nachweislich Zeit, Material und Kosten – und das nicht nur bei Großkonzernen. Damit auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) von diesen Vorteilen profitieren, hat das Land Rheinland-Pfalz das Förderprogramm »KI4KMU-RLP« initiiert, an dem sich das Fraunhofer ITWM aktiv beteiligt. Das Fraunhofer ITWM arbeitet in dem Pro gramm gemeinsam mit der Rheinland- Pfälzischen Technischen Universität Kaisers- lautern-Landau (RPTU), dem Deutschen For- schungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und dem Fraunhofer-Institut für Ex- perimentelles Software Engineering IESE daran, kleine und mittlere Unternehmen praxisnah beim Einstieg in die KI zu unter- stützen. »Wenn KMU durch KI wachsen, gewinnt die ganze Gesellschaft: Effizienz sichert den Mittelstand, während Fortschritt und Lebens qualität die Zukunft aller berei- chern«, sagt Dr. Ali Moghiseh, der das Pro- jekt an unserem Institut leitet. In der Pilotphase richtet sich das Programm insbesondere an produzierende KMU, die bereit sind, KI gezielt im Unternehmen einzusetzen, um konkrete betriebliche Ver- besserungen zu erreichen und daraus nach- haltige Wettbewerbsvorteile zu schaffen. Praxisnahe Lösungen statt Theorie Viele Unternehmen stellen sich dieselben Fragen: Welche KI-Technologie passt zu mir? Was kostet das – und was bringt es? Hier setzt das Programm an. Die Forschenden werten vorhandene Produktionsdaten aus, identifizieren konkrete Optimierungspoten- ziale und übertragen diese in anwendungs- nahe Lösungen. Ziel ist es, den Zugang zu KI-Technologien zu erleichtern und praxis- nahe Demonstratoren zu entwickeln. Mög- liche Einsatzfelder sind beispielsweise auto- matisierte Qualitäts kontrolle, KI-gestützte 24
Bildanalyse oder die vorausschauende Wartung von Maschinen und Anlagen. KI-Lotsen als Brücke zwischen Wissenschaft und Wirtschaft Ergänzend setzt die Landesregierung auf sogenannte KI-Lotsen – Expertinnen und Experten, die Unternehmen auf dem Weg zur KI begleiten. Unsere Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel ist seit 2020 KI-Lotsin für Mobilität des Landes Rheinland-Pfalz. Ihr Fazit nach fünf Jahren: »Wir wollen KI dort einsetzen, wo ein echter Mehrwert entsteht. Für Rheinland-Pfalz ist das Thema besonders relevant. Die Region verbindet traditionelle Industriestandorte, eine wach- sende Elektromobilitätsbranche und länd- liche Räume mit spezifischen Mobilitäts- bedürfnissen – ideale Bedingungen, um KI-Lösungen praxisnah zu erproben.« Gemeinsam mit Dr. Henrike Stephani hat sie Workshops organisiert, Netzwerke auf- gebaut und mit dem Buch »Arbeitswelt und KI 2030« wichtige Impulse gesetzt. Mit dem Programm »KI4KMU-RLP« unterstützt die rheinland-pfälzische Landesregierung speziell kleine und mittlere Unternehmen dabei, ihre Betriebsabläufe mit KI-Methoden effizienterzugestalten.Dr.AliMoghisehundDr.HenrikeStephanimitderehemaligen Ministerin Daniela Schmitt bei der Bescheidübergabe. www.itwm.fraunhofer.de/ki-ml 25
KI als Triebkraft für Biotechnologie Wie können Künstliche Intelligenz und Simulation die Biotechnologie voran- bringen? Mit welchen Innovationen aus der Forschung können Unternehmen Ressourcen effizienter einsetzen und die Wertschöpfung steigern? Diese Fragen standen im Mittelpunkt des Workshops »KI und Simulation in der Biotech- nologie« an unserem Institut im November 2025. Expertinnen und Experten aus Forschung, Industrie und Politik diskutierten nachhaltige und effiziente Lösungen für die Pharma- und Chemiebranche. Der rheinland-pfälzische Wissenschafts- minister Clemens Hoch eröffnete die Ver- anstaltung und betonte die Exzellenz des Landes Rheinland-Pfalz in der Künstlichen Intelligenz sowie in der Biotechnologie. Beides seien Zukunftsfelder mit großem Potenzial. »Ziel ist es, die Grundlagenfor- schung und den Transfer in die Anwendung stärker zu vernetzen und Schnittstellen noch enger miteinander zu verknüpfen«, so Minister Hoch. Mehr als 60 Teilnehmende nutzten die Ge- legenheit zum fachlichen Austausch. Vor- träge und Diskussionsrunden standen auf dem Programm. Sie spannten den Bogen von industrieller Biotechnologie über bio- druckbasierte Anwendungen bis hin zu datengetriebener Prozessoptimierung. Forschung und Industrie wachsen zusammen In der Podiumsdiskussion wurde deutlich: Es besteht großes Interesse, das Training von datenbasierten Lernverfahren und das Fachwissen über biologische Zusammen- hänge und biotechnologische Produktions- prozesse weiter zu verknüpfen. Dadurch rücken Forschung und Industrie in der Che- miebranche enger zusammen. Künstliche 26
Podiumsdiskussion mit Prof. Dr. M. Maskos/Fraunhofer IMM, T. Reith/Boehringer Ingelheim, MinisterC.Hoch,Prof.Dr.M.BortzFraunhoferITWM,Dr.-Ing.E.Wilke/BASFSE, Prof. Dr. R. Ulber/RPTU Kaiserslautern-Landau sowie Prof. Dr. A. Blaeser/TU Darmstadt Intelligenz sei ein Werkzeug, mit dem Pro- zesse besser und schneller werden und das neue Erkenntnisse möglich macht. In der Biotechnologie sahen die Diskutierenden große Potenziale durch den Einsatz von KI – wenn sie zum Wohle von Menschheit, Gesellschaft und Umwelt eingesetzt werde. Beispielprojekt: Nanomedikamente schneller entwickeln Ein Beispiel für die erfolgreiche Verbindung von KI und Biotechnologie war das vom Land Rheinland-Pfalz geförderte Projekt »Smart- Form – Smarte, KI-gestützte Formulierungs- entwicklung für effektive Nanotherapeutika«. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM erar- beitet das Fraunhofer ITWM eine Plattform zur Optimierung von Formulierungsprozessen für Nanomedikamente. Durch den gezielten Einsatz von KI soll die Entwicklung von Medikamenten beschleunigt und verbessert werden. Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zur Stärkung der Arzneimittelsou- veränität in Deutschland und fördert die Nachhaltigkeit in der pharmazeutischen Produktion. Veranstalter und Partner Der Workshop »KI und Simulation in der Biotechnologie« wurde vom Leistungszent- rum Simulations- und Software-basierte Innovation gemeinsam mit den Fraunhofer- Instituten ITWM und IMM organisiert, unter- stützt vom Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit Rheinland-Pfalz. www.itwm.fraunhofer.de/KI-Simulation-Biotechnologie-Workshop 27
Mehr Qualität für Baustoffe Im Projekt »KIBi« entwickelt unsere Forscherin Dr. Katja Schladitz mit weiteren Partnern eine KI-basierte Methode, um Gesteinskörnungen in Computertomo- grafie (CT)-Bildern präzise zu trennen und zu charakterisieren – das verbessert die Qualität und Produktionskontrolle in der Baustoffindustrie. Gesteinskörnungen bestimmen die Eigen- schaften von Beton und anderen Werkstof- fen; ihre Form und Größe entscheiden über das Endprodukt. Um diese Einflüsse zu steuern, gilt es die Körnungen zuverlässig zu charakterisieren. Bis heute kann die Korn- form nur durch Siebung mit Stabsieben oder händische Vermessung erfasst werden. An- dere automatisierte Verfahren sind bisher noch zu aufwändig, zu fehleranfällig und unflexibel. CT bietet mit dreidimensionalen Aufnahmen eine Alternative, doch die auto- matische Trennung einzelner Körner aus Schüttgut bleibt herausfordernd: Klassische Algorithmen stoßen an ihre Grenzen. In »KIBi« setzen die Forschenden Random Forests ein – maschinelle Lernmodelle. Dass der Random Forrest korrekt und reproduzierbar sortieren kann, wurde an 27 Datensätze von Sand bis Recycling-Gestein nachgewiesen. Ziel ist eine industrietaug liche Software, die zu- künftig nicht nur in der Baustoffbranche, sondern auch in weiteren Bereichen einge- setzt werden kann. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. 8 mm 8 mm 2 mm www.itwm.fraunhofer.de/KIBi 28
Digitaler Zwilling statt Stoffprobe Im von der Europäischen Union geförderten Projekt »TEXTaiLES« entstehen Werkzeuge zur Digitalisierung und virtuellen Rekonstruktion historischer Textilien. Unsere Simulationen analysieren Faltenwurf, Struktur und Bewe- gung – und machen Unsichtbares sichtbar. Ob feinste Stickerei oder großformatiger Wandteppich – historische Textilien sind ein Schatz der Vergangenheit und zugleich eine Herausforderung für Restaurierung und Forschung. Im EU-Projekt »TEXTaiLES« treffen modernste Technologien auf jahr- hundertealtes Kulturgut: KI, Robotik, 3D-Scans und physikalische Simulationen ermöglichen eine digitale Erfassung, Analyse und virtuelle Wiederherstellung. Die Ergebnisse sollen europaweit Museen, Konservator:innen und Forschenden als modularer Software-Werkzeugkasten zu- gutekommen. Im Projekt bringt unser Team »Technische Textilien« seine Expertise in der dynami- schen Simulation textiler Materialien ein. Ziel ist es, realistische Verformungen von Kleidungsstücken nachzubilden – inklusive Faltenwurf, Drapierung und dem Einfluss von Nähten. Diese physikalisch fundierten Simulationen sind essenziell, um historische Textilien digi- tal lebendig zu machen – etwa für virtuelle Ausstellungen, Restaurierungsplanung oder das Nachbilden ursprünglicher Bewe- gungszustände. www.itwm.fraunhofer.de/technische-textilien 29
Computer, die denken wie ein Gehirn Unser Gehirn ist ein Wunderwerk der Natur. Es verarbeitet unvorstellbare Mengen an Informationen – und verbraucht dabei gerade einmal so viel Energie wie eine schwache Glühbirne. Davon sind herkömmliche Computer weit entfernt. Was wäre, wenn wir Computerchips bauen könnten, die ähn- lich arbeiten wie unser Gehirn? Daran forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen der neuen Allianz »STANCE« – der Strategic Alliance for Neuromorphic Computing and Engineering. Im menschlichen Gehirn kommunizieren Nervenzellen über kurze elektrische Impulse, sogenannte Spikes. Informationen werden nicht pausenlos hin- und hergeschoben, sondern nur dann weitergeleitet, wenn es tatsächlich etwas Neues zu melden gibt. Dieses Prinzip übertragen Forschende auf eine neue Generation von Computern: sogenannte neuromorphe Systeme und Spiking Neural Networks. Konkretes Potenzial ermitteln Der entscheidende Vorteil: Diese Systeme verbrauchen deutlich weniger Energie und reagieren schneller, weil sie nur dann aktiv werden, wenn ein wichtiges Ereignis eintritt. Für die Industrie könnte das ein riesiger Vorteil sein. So vielversprechend die Technologie ist, so groß sind noch die Hürden auf dem Weg in die Praxis. Es fehlt an einheitlichen Stan- dards. Software und Hardware verschiede- ner Hersteller passen oft nicht zusammen, und viele Unternehmen kennen die Mög- lichkeiten neuromorpher Systeme bislang nicht. Genau hier setzt »STANCE« an. Seit April 2024 bauen Forschende des Fraunhofer- Instituts für Integrierte Schaltungen IIS ge- meinsam mit Expertinnen und Experten aus unserem Bereich »High Performance Com- puting« eine strategische Allianz auf, die Wissenschaft, Industrie und Start-ups an einen Tisch bringt. Der Ansatz: gemeinsam herausfinden, wo die Technologie heute schon einsetzbar ist, welche Probleme beseitigt werden müssen und konkrete Lösungen entwickeln. 30
Stichwort: Neuronale Netze Künstliche Intelligenz wird heute vor allem mit riesigen Rechenzentren und enormem Energieverbrauch assoziiert. Neuromorphe Technologien könn- ten das grundlegend ändern: intelligente Systeme, die sparsam, schnell und direkt vor Ort arbeiten – in der Fabrik, im Sensor, im Alltag. Mit »STANCE« schaffen Forschende die Voraussetzungen dafür, dass diese Vision Wirklich- keit wird. Die Allianz zeigt, wie Forschung und Industrie gemeinsam eine Technologie voranbringen können, die das Potenzial hat, unsere digitale Welt nachhaltiger und leistungsfähiger zu machen. Bedarfsgerechte Lösungen für die Industrie schaffen Die Allianz versteht sich als Triebkraft. Sie bringt verschiedene Zielgruppen zusammen, organisiert Workshops und pflegt eine Wissensdatenbank, die den aktuellen Stand der neuromorphen Forschung zu- gänglich macht. Besonders kleine und mittlere Unternehmen profitieren: Sie er- halten Zugang zu Expertise, die sie allein kaum aufbauen könnten, und bekommen Unterstützung beim Einstieg in die Thematik. Gleichzeitig entstehen durch gemeinsame Forschungsprojekte Innovationen, die von der Industrie selbst angestoßen werden – nicht am Bedarf vorbei, sondern mitten hinein in die Praxis. www.itwm.fraunhofer.de/projekt-stance 31
Abrechnungsbetrug schnell erkennen In Projekten mit verschiedenen Partnern haben wir Software-Anwendungen zum Feststellen von Auffälligkeiten bzw. zur Betrugsdetektion entwickelt. Diese erlauben es, in großen Datenmengen – etwa in Abrechnungsdaten – verschiedene Typen von Auffälligkeiten zu finden und zu untersuchen. Dazu haben wir drei Fragen an unsere Forscherin Dr. Ria Grindel aus dem Bereich »Analytics und Computing« gestellt. Welche Betrugsindikatoren können die Software-Lösungen erkennen und welche Methoden kommen dabei zum Einsatz? Unsere Software-Anwendungen sind darauf spezialisiert, in großen Datenmengen unter- schiedliche Auffälligkeitstypen zu identifi- zieren. Dazu zählen wir einfache Fälle wie mehrfach auftretende Abrechnungen, aber auch schwieriger zu erkennende Ab- weichungen oder Ausreißer, die auf Fehler oder Betrug hindeuten können. Wir setzen eine Kombination aus Cluster- verfahren und weiteren Techniken des maschinellen Lernens und der KI ein, um Unregelmäßigkeiten zu entdecken. Wie unterstützen die Funktionen die Nutzenden bei der Betrugsdetektion? Unsere Lösungen markieren auffällige Daten sätze für die sachgerechte Prüfung. Für die Prüfenden ist das eine hilfreiche Vor- auswahl, um genau auf die problematischen Datensätze zu schauen. Das macht die Ar- beit wesentlich effizienter. Wie integriert sich die Software in den Arbeitsalltag? Die Anwendungen unterstützen die Fach- angestellten bei Prüfen der Datensätze. Sie können die gefundenen Auffälligkeiten durchsuchen, kommentieren, anpassen und exportieren. www.itwm.fraunhofer.de/anomaliedetektion 32
Mathematik zum Hören: Mini- Podcastserie zu KI und Statistik Unsere bloggenden Mathematiker und Statistiker Sascha Feth und Jochen Fiedler haben zusammen mit Redakteurin Esther Packullat im Podcast »Streu- spanne – Statistik und ihre Kuriositäten« 2025 eine Mini-Serie rund um Künst- liche Intelligenz (KI) und Statistik veröffentlicht. Nachzuhören überall, wo es Podcasts gibt. Vier Folgen umfasst die Mini-Serie zu »Künst- licher Intelligenz (KI) und Statistik«. Folge eins widmet sich der Frage, ob KI nur »glo- rifizierte Statistik« ist. In der zweiten Folge beschäftigen sich unsere Statistiker mit Neuronalen Netzen. Diese Modelle, inspiriert vom menschlichen Gehirn, bestehen aus mehreren Schichten, die Muster erkennen und Informationen verarbeiten. In der dritten Episode diskutiert das Streu- spanne-Team »Shallow Learning« (Seichtes Lernen). Im Gegensatz zu den tiefen und komplexen Modellen des Deep Learning benötigen diese Modelle weniger Daten und Rechenleistung. Und im Finale der Mini-Serie wird es dagegen tiefgründig – die großen Sprachmodelle wie GPT-4, Llama oder Ge- mini werden unter die Lupe genommen. www.itwm.fraunhofer.de/streuspanne 33
Ausblick 30 Jahre Fraunhofer ITWM – Menschen machen Mathe! 2026 steht bei uns am Fraunhofer ITWM im Zeichen unseres 30. Geburtstags – denn seitdem gibt es Fraunhofer in Kaiserslautern, beide Institute wurden 1996 offiziell in die Fraunhofer-Gesellschaft aufgenommen. Und das feiern wir. Mathematik ist vielseitig und die Lösung für viele Herausforderungen. Sie ist die Sprache von Wissenschaft und Technik – aber es sind die Menschen, die Mathematik verste- hen und anwenden. »Dieser Aspekt ist uns sehr wichtig: Hinter jeder mathematischen Lösung sitzt ein Mensch, der sich diesem Problem angenommen hat und es lösen möchte«, sagt Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel. »Der Antrieb, etwas in unserer Gesellschaft bewegen zu können, ist für viele unserer Forschenden enorm.« Seit 30 Jahren setzen die Forschenden des Instituts ihr mathematisches Wissen für unsere Gesellschaft ein. Diese Botschaften wollen wir im Jubiläumsjahr noch stärker nach außen tragen und verdeutlichen, was die Wissenschaft in Kaiserslautern leistet. Auch ganz plakativ am Gebäude: An der Glasfront des Gebäudes in der Trippstadter Straße sind seit einiger Zeit anlässlich des Jubiläums große Fensterbilder zu sehen, die mit einfachen Sätzen mitteilen, woran unsere Forschenden hinter der Fassade arbeiten: »Wir erschaffen die Hardware der nächsten Generation«, »Wir modellieren die Materi- alien der Zukunft« oder »Wir optimieren Verfahren für die Medizin« beispielsweise. Wir am Fraunhofer ITWM blicken voller Stolz auf 30 Jahre erfolgreiche Forschung und Innovation zurück und richten den Blick gleichzeitig nach vorne. Unser nächs- ter Tätigkeitsbericht wird sich ausführlich dem Jubiläumsjahr widmen. 34
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