23.07.2024
QUANTENCOMPUTING

AQT: Tiroler Startup und Uni integrieren Quantencomputer in Supercomputer

Der Hybrid aus Supercomputer und Quantenrechner an der Uni Innsbruck soll die Lösung komplexer Aufgaben in verschiedenen Disziplinen ermöglichen. Für das Projekt gibt es auch eine FFG-Förderung.
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Das Gründerteam Rainer Blatt, Thomas Monz und Peter Zoller (v.l.) vom Tiroler Quantencomputing-Startup AQT © AQT
Das Gründerteam (v.l.) von AQT (l.n.r.): Rainer Blatt, Thomas Monz und Peter Zoller. | © AQT

Der steigende Bedarf an Rechenleistung bringt klassische Computer-Systeme schon länger an ihre Grenzen. Der Ansatz, mehrere gleichartige Prozessoren zusammenzuschließen, um im Cluster (HPC) eine höhere Leistung zu erzielen, wurde in den vergangenen Jahren bereits überarbeitet. Der neue Standard bei Supercomputern sind sogenannte heterogene Anlagen, in denen unterschiedlich spezialisierte Prozessoren und Co gemeinsam zum Einsatz kommen, um im Verbund möglichst effizient zu arbeiten. In so ein System integrierte die Uni Innsbruck nun gemeinsam mit dem Innsbrucker Spin-off AQT unter dem Projekttitel „HPQC“ erstmals einen Quantenrechner.

Einsatz u.a. für Chemie und Materialwissenschaften

„Mit dem Aufkommen von  Quantencomputern und ihren Möglichkeiten, bestimmte Probleme in der Chemie oder den Materialwissenschaften deutlich rascher zu lösen, als dies klassischerweise möglich ist, sind Quantenbeschleuniger für HPC-Rechner eine neue, sehr spannende Möglichkeit“, sagt dazu AQT-CEO Thomas Monz. Der Quantenphysiker ist zudem Assistenzprofessor an der Universität Innsbruck.

HPQC-System von AQT und Uni Innsbruck steht auch Partnern zu Verfügung

Das neue Hybrid-System werde bereits von Anwender:innen in Forschung und Industrie erprobt, heißt es in einer Aussendung. Partner, wie etwa eine Forschungsgruppe an der TU Wien oder das Wiener Unternehmen Math.tec können auf das HPQC-System zugreifen, um damit komplexe Berechnungen durchzuführen.

Große Erwartungen an HPQC

Die Erwartungen an das System mit dem laut AQT ersten derartig integrierbaren Quantencompter sind groß. Denn übliche HPC-Systeme würden zwar „eine erstaunliche Rechenleistung bieten, skalieren bestimmte Probleme in der Natur, insbesondere solche, die mit Hilfe der Quantenmechanik beschrieben werden müssen, so ungünstig, dass sie nur annähernd oder gar nicht lösbar sind“.

System soll bei Erforschung von Supraleitung, Stickstofffixierung und Kohlenstoffbindung helfen

Zu diesen Problemen würde etwa das Verständnis der Supraleitung bei Raumtemperatur gehören, „die – sobald sie technisch umsetzbar wird – voraussichtlich alle Bereiche der Elektronik revolutionieren wird“, so AQT. Weitere Anwendungen würden chemische Prozesse wie die Stickstofffixierung zur Entwicklung von kosten- und energieeffizienten Düngemitteln oder die Kohlenstoffbindung zur Bekämpfung des Klimawandels umfassen.

„Zusammenspiel kreativ ausloten, anpassen und erweitern“

Wiewohl das HPQC-System „das beste aus beiden Welten“ bieten würde, gebe es aktuell auch noch Herausforderungen, so AQT. Diese bestünden etwa darin, die Arbeitslast zwischen den beiden völlig unterschiedlichen  Berechnungsansätzen auszubalancieren. Sprich: Welcher Teil eines Berechnungsproblems wird am besten auf einem klassischen Computer bearbeitet, und an welchem Punkt sollte die Berechnung auf den Quantenprozessor übertragen werden? Die Schnittstellen würde es den Forscher:innen jedenfalls nun ermöglichen, „das Zusammenspiel zwischen klassischer und Quantenhardware kreativ auszuloten, anzupassen und zu erweitern“.

FFG-Förderung für AQT und Uni Innsbruck

Für das Projekt erhielten AQT und die Uni Innsbruck auch eine FFG-Förderung. „Die erfolgreiche Integration eines Quantencomputers in eine High-Performance-Computing-Umgebung markiert einen bedeutenden Meilenstein für die österreichische und europäische Forschung und Technologieentwicklung“, kommentiert FFG-Geschäftsführerin Henrietta Egerth. „Dieses Projekt demonstriert eindrucksvoll die Innovationskraft und den technologischen Vorsprung, den wir in unserem Land  erreichen können, und zeigt das enorme Potenzial und die Unabhängigkeit der EU bei Quantentechnologien.“

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Michael Krebs, CEO von HeartBeat.bio. | Foto: HeartBeat.bio.

2023 holte sich das Wiener BioTech HeartBeat.bio, das 2021 gegründet wurde und im Vienna Biocenter ansässig ist, ein 4,5-Millionen-Euro-Investment im Rahmen einer Pre-Series-A-Runde – brutkasten berichtete.

Im Vorjahr folgte eine Forschungskooperation mit dem Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim, mit dem Ziel gentherapeutische Behandlungen für genetisch bedingte Kardiomyopathien zu entwickeln. Nun kooperiert man mit dem schwedischen Genomikunternehmen CubaseBio, das 3D-Spatial-Transkriptomik-Technologien entwickelt, um einen Hochdurchsatz-3D-Spatial-Profiling-Ansatz für myokardiale Fibrose zu entwickeln und um die Wirkstoffforschung bei Herzinsuffizienz zu steigern.

HeartBeat.bio erhält von der FFG nationale Förderung

Die Partner erhalten dafür rund eine Million Euro an Förderung im Rahmen des Calls 10 des Eurostars-Programms für ihr gemeinsames Projekt „Fibrosis Analysis in Cardioids via Transcriptomic Spatial-mapping in 3D“ (FACTS-3D).

Die nationale Förderung erfolgt durch Vinnova (Schwedens Innovationsagentur) und die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), mit Ko-Finanzierung durch die Europäische Union im Rahmen von Horizon Europe.

Das Projekt verbindet die firmeneigene Cardioid-Technologie von HeartBeat.bio mit der 3D-Spatial-Transkriptomik-Plattform von CubaseBio, um einen skalierbaren Ansatz zur Analyse der molekularen und zellulären Mechanismen hinter myokardialer Fibrose zu entwickeln.

64 Millionen Menschen von Herzinsuffizienz betroffen

Trotz bedeutender Fortschritte in der kardiovaskulären Forschung bleibt die Entwicklung neuer Therapien gegen Herzinsuffizienz eine Herausforderung. Weltweit sind mehr als 64 Millionen Menschen von Herzinsuffizienz betroffen, was eine große und wachsende globale Gesundheitsbelastung darstelle, heißt es per Aussendung. Herkömmliche präklinische Werkzeuge wie Tiermodelle und 2D-Zellkulturen könnten die Komplexität der menschlichen Biologie, zellulärer Interaktionen und der räumlichen Organisation zugrundeliegender Herzerkrankungen häufig nicht vollständig abbilden.

FACTS-3D soll genau hier ansetzen: Das Projekt verbindet menschliche Herzorganoide, die die Biologie des Herzens realitätsnah abbilden, mit einer 3D-Spatial-Transkriptomik-Methode, die viele Proben gleichzeitig auswerten kann. Zur Erklärung: Bisherige Verfahren zur räumlichen Genanalyse funktionieren nur bei dünnen, flach geschnittenen Gewebeproben. Für die Untersuchung von Organoiden, die dreidimensionale Struktur besitzen, sind sie deshalb kaum brauchbar, und schon gar nicht, wenn viele Proben zügig analysiert werden sollen. Die 3D-Technologie von CubaseBio umgeht dieses Problem: Sie lässt sich direkt in gängigen Labor-Plattenformaten mit 96 oder 384 Vertiefungen einsetzen. Dadurch kann das Projekt die Herzorganoide von HeartBeat.bio erstmals in ihrer vollständigen, dreidimensionalen Struktur untersuchen, statt sie in dünne Scheiben zerlegen zu müssen.

Dieser Ansatz sei besonders wichtig für die Erforschung von Herzmuskel-Vernarbung (Fibrose), einem Prozess, der zum krankhaften Umbau des Herzens beiträgt und bei vielen Formen von Herzinsuffizienz eine Rolle spielt. Indem die Partner sichtbar machen, welche Gene in welchen Zellen des intakten 3D-Herzgewebes aktiv sind, wollen sie herausfinden, wie die Erkrankung entsteht, wie das Gewebe auf Behandlungen reagiert und wo neue Ansatzpunkte für Medikamente liegen könnten.

Neue Mechanismen

„Das FACTS-3D-Projekt bringt zwei hochgradig komplementäre Technologien zusammen, um eine der zentralen Herausforderungen der kardiovaskulären Wirkstoffforschung anzugehen: das Verständnis der Krankheitsbiologie in einem physiologisch relevanten menschlichen Kontext bei gleichzeitigem Erhalt der räumlichen Informationen, die für komplexe kardiale Phänotypen essenziell sind. Für HeartBeat.bio stellt diese Kooperation einen wichtigen Schritt dar, Cardioide nicht nur für die phänotypische Wirkstoffforschung zu nutzen, sondern auch um neue Mechanismen und Zielstrukturen für Herzinsuffizienz zu entdecken und zu validieren, insbesondere bei myokardialer Fibrose und kardialem Remodeling“, sagt Michael Krebs, CEO von HeartBeat.bio.

Und Malte Kühnemund, CEO von CubaseBio, ergänzt: „Die Herzbiologie ist ein perfektes Beispiel dafür, warum der 3D-Spatial-Kontext so wichtig ist. Die Art, wie sich Zellen dreidimensional organisieren, ist zentral dafür, wie eine Herzkammer aufgebaut ist, was bei Fibrose geschieht und wie sich das Herz umbaut. Unsere Technologie wurde genau dafür entwickelt, diese Art von Komplexität vollständig in drei Dimensionen zu erfassen. Das lässt sich nicht durch Schnittverfahren erfassen, und 3D-Bildgebungshardware verfügt nicht über den nötigen Durchsatz. Das macht unsere 3D-Spatial-Transkriptomik-Technologie zu einer naheliegenden Wahl für das Hochdurchsatz-Screening von Herzmedikamenten. HeartBeat.bio ist der ideale Partner, um unsere 3D-Spatial-Technologie in umsetzbare Erkenntnisse für komplexe kardiovaskuläre Erkrankungen zu übersetzen.“

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