Azure Quantum – Das Full-Stack-Ökosystem für Anwendungen auf Quantencomputern

bei

 / 18. March. 2021

Patrick Schidler im Gespräch


 

Patrick Schidler verantwortet seit 2018 das Lösungsgeschäft mit der Cloud Platform Microsoft Azure in Deutschland. Der studierte Informatiker setzt sich in seiner Rolle als Head of Azure Marketing & Operations u.a. mit den Chancen von Quantencomputern für Kunden und Partner im deutschen Markt auseinander.


 

Quantencomputer können durch ihre enorme Leistungsfähigkeit etwa in der Berechnung von Molekülen bahnbrechende Ergebnisse erzielen. Deshalb könnten bald in der Chemieindustrie durch den Einsatz von Quantencomputern hochleistungsfähige Materialien entwickelt werden. Mit diesen Entwicklungen gehen Verbesserungen in der Pharmaindustrie und in der Medizin einher. Doch auch in der Verbesserung von Logistik-Prozessen können Quantencomputer optimierend wirken. Darüber hinaus gibt es neueste Ansätze, Quantencomputing auch für eine Reduktion im CO2-Ausstoß nutzbar zu machen. Der studierte Informatiker Patrick Schidler verantwortet seit 2018 das Lösungsgeschäft mit der Cloud Platform Microsoft Azure in Deutschland und berichtet über vielversprechende Anwendungsmodelle von Quantencomputing.

 

Welche Rolle nimmt das Thema Quantencomputing innerhalb von Microsoft Stand heute ein? Wie kam es dazu?

Wir haben schon vor über einem Jahrzehnt mit unseren Bemühungen im Bereich des Quantencomputings begonnen. Heute haben wir eine weltweite Gemeinschaft aus Experimentator*innen, Ingenieur*innen, Theoretiker*innen, Postdocs und Studierenden, die einzigartig in der Industrie und im akademischen Bereich ist. Wir haben außerdem einen umfassenden Ansatz für das Quantencomputing gewählt, der Folgendes beinhaltet:

    • Den Bau eines Quantencomputers mit zuverlässigen, skalierbaren und fehlertoleranten topologischen Qubits.
    • Die Entwicklung einer einzigartigen kryogenen Steuerebene mit extrem geringer Leistungs- und Wärmeabgabe.
    • Die Entwicklung eines kompletten Software-Stacks, der die Programmierung des Quantencomputers und die Steuerung des Systems im großen Maßstab ermöglicht.

Insbesondere über den verstärkten Einsatz unserer Cloud-Angebote rund um Microsoft Azure sind wir für unsere Kund*innen auch zu einem verlässlichen Partner bei der digitalen Transformation geworden. Denn anders als noch vor zehn Jahren sind die Technologien für diesen Prozess komplexer geworden und umfassen nicht mehr nur Rechenleistung oder Speicher aus Cloud-Rechenzentren, sondern vielmehr Technologien wie Künstliche Intelligenz, Mixed Reality, Blockchain und eben Quantencomputing.   Während es lange Zeit ein scheinbares Wettlaufen um die Anzahl der Qubits – die Speicher- und Informationseinheiten eines Quantencomputers – gab, war uns die Anwendbarkeit des Quantencomputings von Beginn an wichtig. Aus diesem Grund haben wir uns darauf konzentriert, die Stabilität der typischerweise schwer zu beherrschenden Qubits zu erhöhen. Man muss dazu wissen, dass Quantencomputer häufig sehr anfällig für Störungen von außen sind, was deren Einsetzbarkeit deutlich reduziert. Um diese Anfälligkeit zu kompensieren, müssen komplizierte Verfahren zur Fehlerkorrektur angewandt werden, was wiederum die Leistungsfähigkeit reduzieren kann. Es geht also eigentlich nicht darum, wie viele Qubits man hat, sondern wie viele man tatsächlich davon effizient nutzen kann. Daher hat Microsoft sehr früh auf das Konzept der „topologischen Qubits“ gesetzt – basierend auf den Ideen des italienischen Physikers Ettore Majorana – und arbeitet seit über zehn Jahren an einem stabilen, skalierbaren Quantencomputer. Gleichzeitig machen wir die für die An- wendung notwendigen Werkzeuge nutzbar: Mithilfe von Programmiersprachen und -frameworks für Quantencomputer machen wir die Konzepte dieser Technologie für Kund*innen sowie Partner bereits heute erlern- und anwendbar.

Führende Wissenschaftler und Industriekonzerne gehen von einer groß angelegten Technologie-Revolution aus, die der Quantencomputer binnen 5-10 Jahren erzielen wird. Wie sieht Microsoft die anwendungsbezogenen Fähigkeiten von Quantencomputing?

Für unsere Kund*innen und Partner sind die anwendungsbezogenen Möglichkeiten natürlich sehr relevant. Sie versprechen sich durch die Anwendung der Technologie die Lösung signifikanter Probleme oder Wettbewerbsvorteile. Tatsächlich sehen auch wir, dass viele Kund*innen sich bereits Kompetenzen in diesem Bereich aufgebaut haben und schon für ihre individuellen Bedürfnisse nutzen – wenn auch eingeschränkt. Aus unserer Sicht ist das ein spannender Zwischenschritt: Viele Ideen, die wir mit Kund*innen diskutieren, brauchen gar keinen Quantencomputer. Häufig können diese mithilfe optimierter Algorithmen und cleverer Programmierung sehr effizient auf marktüblicher Hardware umgesetzt werden. Die Quantenkonzepte helfen aber dabei, die Probleme aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten und zu besseren Lösungen zu kommen. Wir nennen das dann „quanteninspirierte Algorithmen“. Mit der breiteren Verfügbarkeit von Quantencomputern als Werkzeug geht unserer Meinung nach etwas sehr Spannendes einher: Viel mehr Menschen werden ihre Ideen mithilfe dieser Technologie umsetzen können. Erst das wird die eigentliche Technologie-Revolution auslösen. Genau das ist der Grund, warum wir bereits heute die Quantenkonzepte nutzbar machen – etwa mithilfe der Programmiersprache Q#. Wir wollen Menschen befähigen, bereits heute von den Möglichkeiten der innovativen Technologie zu profitieren.

Wer sollte sich heute bereits für Quantencomputing interessieren und warum? Welches Potenzial verbirgt sich hinter Quantencomputern?

Wir arbeiten bereits mit den Möglichkeiten des Quantencomputings und diskutieren über seine Potenziale, um einige der anspruchsvollsten Probleme in der heutigen Industrie zu lösen, und zwar für eine Vielzahl von Bereichen, darunter für die Chemie, die Medizin und den Naturschutz. Beispielsweise kann Quantencomputing dabei helfen, chemische Stoffe zu entdecken, mit denen wir das Treibhausgas CO2 aus der Atmosphäre binden können. Auch alltägliche Probleme lassen sich mit Quantencomputern effizienter lösen. So arbeiten wir zum Beispiel gemeinsam mit Ford an der Vermeidung von Verkehrsstaus – insbesondere im Hinblick auf das autonome Fahren. Auf der anderen Seite bricht das Quantencomputing auch mit so mancher traditionellen Annahme der Informatik – etwa, dass die Lösung bestimmter mathematischer Probleme für normale Computer sehr komplex ist und damit sehr lange dauert. So funktioniert das immer nochhäufig eingesetzte Verschlüsselungsverfahren „RSA“ auf der Annahme, dass die Zerlegung einer sehr großen Zahl in ihre beiden Primfaktoren sehr lange dauert – hunderte oder tausende Jahre. In Ihrem Artikel „Ein Generationenwechsel der Superlative: Der Computer von morgen“ wird ja gut beschrieben, dass man diese Verschlüsselung des von Peter Shor beschriebenen Algorithmus mithilfe eines Quantencomputers effizient knacken kann. Von der Idee zur Lösung bedarf es aber auch der Umsetzungskompetenz. Mein persönlicher beruflicher Hintergrund liegt in der Software-Entwicklung. Als ich das erste Mal die Werkzeuge des Quantencomputings in die Hände bekommen habe, hatte ich einen ganz schönen „Knoten im Kopf“. Man braucht schon etwas Zeit, Übung und Erfahrung, bis man beispielsweise in unserer Programmiersprache Q# die ersten Algorithmen fehlerfrei zum Laufen bekommt. Eben deshalb ist es so wichtig, dass sich Entwickler*innen, Forscher*innen und alle anderen Interessierten frühestmöglich mit den Konzepten vertraut machen.

Was ist „Azure Quantum“?

Azure Quantum ist das weltweit erste Full-Stack-Ökosystem für Public Cloud-Lösungen. Mit Azure Quantum machen wir die Vorteile des Quantencomputings heute schon für unsere Kund*innen nutzbar. Zusammen mit unseren Partnern 1QBit, Honeywell, IonQ, QCI und Toshiba stellen wir das vielfältigste Angebot an Quantensoftware- und Hardwarelösungen, ein Netzwerk führender Quantenforscher*innen und -entwickler*innen sowie eine robuste Ressourcenbibliothek zusammen. Wie bereits angesprochen, lassen sich viele Probleme auch durch Nutzung von „quanteninspirierten Algorithmen“ auf marktüblicher Hardware ausführen. Azure Quantum ermöglicht es Entwickler*innen, Algorithmen zu schreiben und diese dann auf der ganzen Bandbreite von Hardwarelösungen einzusetzen – bis hin zur Quanten-Hardware. Microsofts „Quantum Development Kit“ erlaubt es, die Quantenprogramme in Q# oder in der Programmiersprache Python zu entwickeln und laufen zu lassen. Und Microsofts neue Quantum Intermediate Representation (QIR) soll eine gemeinsame Schnittstelle zwischen vielen Programmiersprachen und Zielplattformen für Quantenberechnungen sein.

Welche konkreten Use-Cases von Quantencomputing kann Microsoft heute schon anbieten? Welche Lösungen werden damit erzielt?

Ein konkretes Einsatzfeld ist die computergestützte Chemie insbesondere bei der Entwicklung hochleistungsfähiger Materialien. Die Vorhersage des Verhaltens und der Wechselwirkung von solchen Materialien ist ein komplexes Problem, aber für die effiziente Entwicklung von Neuheiten unerlässlich. So arbeitet beispielsweise OTI Lumionics mit Microsoft an der Entwicklung transparenter Displays auf Basis von OLEDs. Gemeinsam mit der Case Western Reserve University in Ohio kombinieren wir die spannenden Möglichkeiten des Quantencomputings mit unserer Microsoft HoloLens und der Mixed Reality Technologie: Durch die gesteigerte Leistung bei der Verarbeitung der Daten von Magnetresonanztomographen (MRT) brauchen Patient*innen weniger Zeit im MRT zu verbringen und Ärzte erhalten gleichzeitig bessere 3D-Bilder. Gemeinsam mit Trimble arbeiten wir an der Optimierung der weltweiten Logistik: Hierbei geht es im Kern darum, Transportkapazitäten bestmöglich zu nutzen, Waren möglichst effizient zu transportieren und dabei Variablen wie den CO2-Ausstoß, Kosten oder Lieferzeiten deutlich zu reduzieren. Darüber hinaus arbeitet Microsoft zum Beispiel auch an Projekten zur Optimierung von Ernten mit, wo es gezielt darum geht, den Düngereinsatz zu reduzieren, um die Umwelt zu schonen. Mithilfe von Azure Quantum lassen sich solche Probleme schon jetzt effizient angehen. Die genannten Beispiele sind nur eine kleine Auswahl, sie zeigen aber anschaulich, dass viele gängige Probleme für klassische Computer heutzutage bereits eine große Herausforderung darstellen können. Das vermutlich bedeutsamste am Quantencomputing wird somit sein, neue Lösungsansätze für diese ganz konkreten Herausforderungen zu finden.

Ein Beispiel: Wie funktioniert die Zusammenarbeit zwischen einem mittelständischen Unternehmen, das in Deutschland seinen Standort hat, mit Microsoft? Wie steht es um die Verarbeitung, Speicherung und Sicherung von hoch sensiblen Daten?

Datenschutz ist für Microsoft ein sehr wichtiges Thema. Wir nehmen deutsche Unternehmen als Innovationstreiber wahr und arbeiten natürlich auch bei diesem Thema eng zusammen. Hinsichtlich der Verarbeitung, Speicherung und Sicherung von hoch sensiblen Daten geht es Kund*innen und Partnern um mindestens zwei wichtige Aspekte: Wie können sie gesetzliche bzw. regulatorische Anforderungen erfüllen und wie schützen sie ihre Innovationen bzw. ihren Wettbewerbsvorteil? Zum ersten Punkt ist zu sagen, dass Azure Quantum den gleichen Design-Richtlinien folgt wie alle Azure-Dienste: Wir haben bereits vor ein paar Jahren die Vorgaben der europäischen Datenschutzgrundverordnung auf alle unsere Rechenzentren weltweit ausgeweitet. Über 90 regionale und mehr als 35 industriespezifische Compliance-Angebote sind unter anderem die Basis dafür, dass unsere Kunden ihre eigenen Compliance-Anforderungen umsetzen können. Zum Schutz von Innovationen haben wir mit Azure IP Advantage eine wichtige Grundlage gelegt, um das geistige Eigentum von Unternehmen zu schützen, was insbesondere für Startups sehr wichtig ist. Um diese Bedingungen zu gewährleisten, investiert Microsoft jedes Jahr mehr als eine Milliarde US-Dollar in die Sicherheit seiner Rechenzentren.

Mit welchen Partnern arbeitet Microsoft für eigene Quantencomputing-Anwendungen zusammen? Sind diese anderen Partner in die zuvor abgeschlossene Zusammenarbeit des Unternehmens auch involviert?

Microsoft war schon immer eine „Partner  Company“ – es entspricht unserer DNA. Unser Partner-Netzwerk in Deutschland umfasst mittlerweile über 30.000 Partner. Daher arbeiten wir auch im Bereich des Quantencomputings sehr eng mit verschiedenen Partnern zusammen: In unserem „Quantum Network“ befinden sich aktuell weltweit über 20 Partner aus der Industrie. Hinzu kommen über 20 Universitäten und Forschungsinstitute. Um die Werkzeuge schnellstmöglich nutzbar zu machen, befinden sich mittlerweile auch viele Kund*innen in diesem Netzwerk. Insbesondere die Entwicklungswerkzeuge werden als Open Source veröffentlicht, sodass möglichst viele Menschen die Möglichkeit haben, unsere Entwicklungen aktiv zu nutzen oder sich selbst einzubringen.

Um sich noch stärker dem Thema Quantencomputing widmen zu können, hat Microsoft unlängst ein neues Quantum Computing Lab in Delft in den Niederlanden eingerichtet. Welche Funktion nimmt dieses Laboratory ein?

Europa ist für uns ein wichtiger Standort, um die Entwicklung des Quantencomputing voranzutreiben. Die TU in Delft nimmt in Europa eine wichtige Rolle im Bereich der Forschung rund um Quantencomputing ein. Dort wird wichtige Grundlagenforschung betrieben, aber eben auch die Entwicklung von sehr praxisnahen Szenarien vorangetrieben – wie beispielsweise das Quantum Internet, welches später einmal parallel zu unserem derzeitigen Internet existieren soll. In Zusammenarbeit mit QuTech – einer Kooperation zwischen der TU Delft und der Forschungsorganisation TNO – will Microsoft praxisnahe Anwendungsfälle entwickeln, die dazu beitragen, dass Menschen frühestmöglich von der Technologie profitieren können.

Die Fehleranfälligkeit gängiger Quantencomputer ist in manchen Dingen noch relativ hoch, weshalb herkömmliche Computer der neuen Technologie noch zuvorkommen. Doch das kann sich schnell ändern. Wann rechnet Microsoft mit dem Kipppunkt, sprich: Wann wird der Quantencomputer den herkömmlichen Computer endgültig überholen?

Für viele Ansätze bei der Entwicklung des Quantencomputers ist das in der Tat noch eine Herausforderung. Wir haben uns deshalb vor über zehn Jahren bewusst für einen anderen Ansatz entschieden und die Entwicklung eines skalierbaren Quantencomputers auf Basis von „topologischen Qubits“ vorangetrieben – wie am Anfang bereits skizziert. Julie Love, Director of Quantum Computing Business Development bei Microsoft, hat vor einiger Zeit mal geschätzt, dass diese recht stabilen Qubits zwischen 1.000 und 10.000mal effizienter genutzt werden können als die instabilen Qubits in anderen Architekturen. Trotz allem ist festzuhalten, dass der Aufwand für den Betrieb von Quantencomputern noch immer sehr hoch ist. So muss die Kühlung der Systeme im Bereich zwischen 0,01 und 0,03 Kelvin erfolgen – also bei circa minus 273 Grad Celsius. Es liegt also noch einiges an Arbeit vor uns. Im Großen und Ganzen hat noch niemand ein stabiles, skalierbares und damit wirklich nützliches Qubit entwickelt. Wir glauben allerdings, dass unser Ansatz die Industrie tatsächlich voranbringen und schnell skalierbares Quantencomputing ermöglichen wird.

Welche besonderen Anwendungen und Dienstleistungen kann Microsoft europäischen bzw. sogar deutschen Partnern anbieten?

Wie man am Beispiel unserer europäischen Labore sieht, denkt Microsoft bei Innovation weltweit, aber eben auch lokal. Wir haben in Deutschland und Europa viele Partner, die uns helfen, unsere Technologieinnovationen für Kund*innen nutzbar zu machen. Die Kooperation mit dem Labor in Delft ist ein gutes Beispiel dafür. Darüber hinaus gibt es viele Kolleg*innen in Europa, die unsere Kund*innen in konkreten Projekten unterstützen. Häufig können wir Kunden und Partnern schneller helfen als erwartet, weil sich, wie angesprochen, viele Probleme häufig schon mit Quanteninspirierten Algorithmen und Vorgehen lösen lassen. Die iterative Vorgehensweise verbunden mit dem Wissensaustausch im „Quantum Network“ schätzen viele deutsche sowie europäische Kunden und Partner als großen Mehrwert bei der Lösungsentwicklung.

Im Sommer 2020 wurde mit großer Euphorie eine theoretisch vorhergesagte Quantenbatterie konstruiert: die Quanten-Phasen-Batterie. Was halten Sie davon und welchen Nutzen kann der Quantencomputer von morgen dadurch erzielen?

Das Team um Francesco Giazotto vom NEST in Pisa hat diesbezüglich eine wirklich beeindruckende Arbeit geleistet. Eine seriöse Vorhersage hinsichtlich des „Quantencomputers von morgen“ ist unheimlich schwer. Ich denke, als 1947 in den Bell Laboratories der erste Bipolartransistor präsentiert wurde, hätte auch niemand daran gedacht, dass wir heute Milliarden von Transistoren in unseren Smartphones in der Hosentasche mitführen.

In einer zeitlichen Skala zwischen Grundlagenforschung – konkreten Anwendungen von Quantencomputing – wo steht Deutschland aktuell? Und was muss sich gesamtheitlich gesehen tun, um die neue Technologie breit nutzbar zu machen?

Es gibt bereits eine Vielzahl an Bereichen in vielen Unternehmen in Deutschland, die an sehr spezifischen Anwendungsfällen arbeiten. Ihnen allen kommt zugute, dass grundlegende Fragen nicht mehr gestellt werden müssen: Die eingesetzten Werkzeuge und Programmiersprachen sindhäufig bekannt, die Rolle des Cloud-Computings ist geklärt – auch mit Hinblick auf Schutz von personenbezogenen Daten und geistigem Eigentum – und die Problemstellungen können von Expert*innen artikuliert werden. Drei Bereichen könnte aber meines Erachtens gesamtheitlich besondere Beachtung geschenkt werden: Ausbildung, Adaptionsbereitschaft undAdaptionsgeschwindigkeit. Bei der Ausbildung müssen wir es schaffen, fachliche Probleme von Expert*innen auf die Lösungsmöglichkeiten   des   Quantencomputings   abzubilden. Der Quantencomputer ist kein „Allheilmittel“, Fach- und IT-Expert*innen müssen daher gleichermaßen in ihrer Ausbildung auf die Möglichkeiten und Grenzen des Quantencomputings hingewiesen werden und diese hautnah anwenden können. Quantencomputer zu programmieren, das sollte man praktisch erfahren können – die Werkzeuge dafür stehen etwa mit unserem Quantum Development Kit bereits zur Verfügung. Beim Thema der Adaption neuer Technologien geht die Bereitschaft in deutschen Unternehmen oft weit auseinander, hier können wir in der Breite noch mutiger und lösungsorientierter werden. Zuletzt zum Punkt der Adaptionsgeschwindigkeit: Es gibt einige wichtige Rahmenparameter bei der Adaption des Quantencomputers. Manche davon erscheinen recht trivial, sind aber selbst beim aktu- ellen Stand der Technologie immer noch Blocker für viele Unternehmen: Der Breitbandausbau beispielsweise ist nur eine von vielen Herausforderungen einer soliden digitalen Infrastruktur. Wer einen Wettbewerbsvorteil mithilfe von Quantencomputing generieren will, der muss in der Lage sein, die verfügbaren Technologien zeitnah und verlässlich einzusetzen. Diese Grundlagen dürfen nicht erst geschaffen werden, wenn Quantencomputer für alle Organisationen zur Verfügung stehen.

Stichwort Wechselwirkung von Quantencomputing mit anderen hochaktuellen Technologien: Welche anderen Neuerungen könnten mit dem Quantencomputer fusioniert werden? Gibt es beispielsweise eine Wechselwirkung zwischen Künstlicher Intelligenz und Quantencomputing?

Diese Frage ist hoch spannend, da sie bidirektional funktioniert. Immerhin kann man sich auch fragen, welche ande- ren Technologien das Quantencomputing überhaupt erst erfolgreich nutzbar machen. Microsoft arbeitet an Synergien in beide Richtungen – das bereits erwähnte Beispiel der Case Western Reserve University ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Zusammenführung von innovativen Technologien wie Quantencomputing und Mixed Reality schon heute einen echten Mehrwert generieren kann. Schaut man sich aktuelle Publikationen an, muss man sich eher fragen, welche Bereiche keine Wechselwirkungen mit Quantencomputing haben werden. Letztendlich sollte immer das zu lösende Problem im Fokus stehen und ganzheitlich betrachtet werden. Wir sehen, dass die Fragen nach der Lösung bedeutender Probleme – beispielsweise die Reduzierung von Umweltschäden oder die verbesserte Heilung von Krankheiten – die eigentlichen Treiber bei der Entwicklung des Quantencomputings sind. Wir glauben, dass die Lösung solcher Herausforderungen die künftige Bedeutung und Rolle der Technologie prägen wird. Hierfür arbeiten wir kontinuierlich daran, die Möglichkeiten des Quantencomputing für Menschen zugänglich zu machen.


Interview geführt durch:

Hannes Mittermaier , geboren 1994 in Sterzing/Italien, seit 2013 in München lebend, schloss 2019 sein Master-Studium an der Ludwig-Maximilians-Universität in München in den Fächern Germanistik und Philosophie ab. Seit 2020 promoviert Mittermaier an der germanistischen Fakultät zu einer Arbeit, die sich mit der Rezeption der Sokrates-Figur im Zeitalter der deutschsprachigen Aufklärung beschäftigt. Damit einhergehend ist Mittermaier Lehrbeauftragter an der Ludwig-Maximilians-Universität. Aktuell hält er ein Proseminar zu Thomas Manns früher Novellistik. Unabhängig von seiner Promotion arbeitet Mittermaier seit September 2019 als Redakteur der ebenso von der Ludwig-Maximilians-Universität herausgegebenen Zeitung Digitale Welt. Darüber hinaus engagiert sich Mittermaier nebenberuflich als freier Musiker.