(Darmstadt und München, 09. Dezember 2021)
Merck, ein führendes Wissenschafts- und Technologieunternehmen, hat heute bekannt gegeben, Mitglied des vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten Forschungsprojektes BAIQO (Bayesian Network Analysis and Inference via Quantum-assisted Optimization) zu sein. Dieses dreijährige Projekt wird im Verbund mit dem Quantum Applications & Research Laboratory (QAR-Lab) der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. Der Fokus des Forschungsprojektes liegt darauf, Grundlagen für den Einsatz von Quantum Computing bei der Modellierung klinischer Studien zu schaffen. Die Partner untersuchen gemeinsam die Potenziale verschiedener Quantenalgorithmen zur Optimierung von Modellen, welche mit Hilfe von maschinellem Lernen aus großen Datensätzen generiert werden.

„Die Algorithmen sollen in unsere bestehende Optimierungsplattform integriert und untersucht werden. Gemeinsam gehen wir das Thema an, wie man Wirkstoffkandidaten gezielter, schneller, noch sicherer und damit natürlich auch nachhaltiger durch die Phase der klinischen Entwicklung bringen kann,“ sagte Thomas Ehmer, Projektleiter auf der Seite des Industrieprojektpartners Merck. „BAIQO bietet natürlich Potential für neue innovative Arbeitsplätze in diesem Technologiebereich.“

Die Informatik-Professorin Claudia Linnhoff-Popien, Lehrstuhlinhaberin und Leiterin des QAR-Labs der LMU ist vom BAIQO Projekt überzeugt: „Seitens des QAR-Labs sehen wir ein immenses Anwendungspotenzial von Quantum Computing für die Optimierung klinischer Studien. Mit unserer langjährigen Expertise im Bereich Künstliche Intelligenz und Quantum Computing wollen wir Merck bei der Entwicklung und Umsetzung nutzbringender Algorithmen unterstützen.“

Maschinell abgeleitete Modelle für klinische Studien (sogenannte Bayes’sche Modelle) sind oft hochkomplex mit sehr vielen Variablen und Abhängigkeiten zwischen den Variablen. Die Forschungspartner wollen evaluieren, inwieweit solche Modelle generell in Optimierungsprobleme übersetzt werden können, um so die bestmögliche Parameterverteilung für das Modellieren erfolgreicher klinischer Studien zu bestimmen.

Eine weitere Frage des BAIQO-Projektes ist, inwiefern – unter den noch bestehenden Einschränkungen aktueller Quantum Computing Hardware, den sogenannten NISQ-Geräten (NISQ: noisy intermediate-scale quantum) – unterschiedliche Arten von Quantenalgorithmen eingesetzt werden können. Die Evaluierung auf aktuell verfügbaren NISQ-Geräten wird zudem klären, ob ein „Quanten Vorteil“ im Vergleich zu klassischen Ansätzen zur Optimierung klinischer Studien besteht.

Es ist geplant, wissenschaftliche Ergebnisse von BAIQO projektbegleitend in renommierten Fachzeitschriften zu veröffentlichen.

Das Projektvolumen von 1,5 Mio. € wird zu 73,3 Prozent durch das BMBF über die Förderbekanntmachung „Anwendungsnetzwerk für das Quantencomputing“ gefördert. Die Förderbekanntmachung ist eine Maßnahme zur Umsetzung des Regierungsprogramms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“.

Am 15. Dezember bringt unser Partner Bayern Innovativ Experten zusammen, um einen Wissensaustausch im Bereich Quantencomputing und den damit möglichen branchenspezifischen Use Cases zu fördern. Auch das QAR-Lab wird mit einer seiner Projektpartner der Smart Reporting GmbH vertreten sein.

Die Smart Reporting GmbH hat kürzlich SmartCAD | COVID-19 entwickelt, ein System zur KI-gestützten radiologischen Diagnose und standardisierten Befundung von COVID-19. Dieses System kann mit Methoden der QKI deutlich verbessert werden und wird im PlanQK Projekt zusätzlich um eine QKI-gestützte Entscheidungsunterstützung ergänzt.

Der Vortrag „QKI-gestützte Diagnose von COVID-19 in Radiologieaufnahmen“ von Leo Sünkel, Doktorand am Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme des QAR-Labs der LMU und Dr. Sigrid Auweter, VP Research & Innovation, Smart Reporting GmbH in München ist ab 11:10 Uhr zu hören.

Dr. Thomas Gabor erhält Heinz-Schwärtzel-Dissertationspreis. Foto: Copyright Ernst-Albert Graf

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien, Betreuerin der Dissertation und Inhaberin des Lehrstuhls für Mobile und Verteilte Systeme lobte die herausragende Dissertation von Dr. Thomas Gabor. Sie übermittelte dem Komitee ihren Dank und war erfreut, dass es eine wirklich herausragende Arbeit ausgewählt habe. „Dieses Werk gehört zu den besten Arbeiten in der gut 20-jährigen Geschichte meines Lehrstuhls, wenn es nicht gar die beste ist. Ich freue mich außerordentlich, dass Thomas Gabor im Jahr 2021 diesen Preis erhält.“

„Ein Meilenstein auf dem Weg zu neuem Verständnis der Informatik als Naturwissenschaft“

Die Auszeichnung wurde im Rahmen der Absolventenfeier der Informatik der TU München verliehen. Pandemiebedingt wurde Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Heinz Schwärtzel vor Ort durch Prof. Dr. Susanne Albers, der Vorsitzenden der Auswahlkommission der drei Münchner Universitäten, vertreten. Sie ging in der Laudatio auf die große Bedeutung der Dissertation ein:
„Thomas Gabor führt in dieser Arbeit das abstrakte Modell eines evolutionären Prozesses ein, beleuchtet den spätestens seit Charles Darwin gängigen Begriff der Fitness aus einem neuen Blickwinkel und entwickelt darauf aufbauend bahnbrechende neue Ansätze, die Forscher mehrerer Fachrichtungen noch beschäftigen werden. Die Arbeit zeigt das Repertoire der wissenschaftlichen Disziplin „Informatik“ in seiner ganzen Schönheit: Sie verfolgt sowohl einen formalen Ansatz, indem sie ein interdisziplinäres, mathematisch präzises Vokabular schafft, das Phänomene von Biologie bis Software-Entwicklung beschreibt, als auch einen empirischen Ansatz, indem sie zahlreiche Instanzen von komplexen Systemen von industriell einsetzbar bis komplett neuartig und experimentell betrachtet und genauestens analysiert. Thomas Gabor verknüpft in einer didaktisch herausragenden Weise die bedeutendsten Erkenntnisse langjähriger wissenschaftlicher Auseinandersetzung. Diese Dissertation ist ein Meilenstein auf dem Weg zu einem neuen Verständnis der Informatik als Naturwissenschaft.“

Dr. Thomas Gabor während der Dankesrede zum Dissertationspreis (Copyright: Ernst-Alfred Graf)

Der Preisträger zu seinem profunden Ansatz: „Informatik beschäftigt sich nicht nur mit Computern“. Dr. Thomas Gabor freute sich über die Auszeichnung und hob in seiner Dankesrede an Stifter und Kommission die Bedeutung der Grundlagenforschung der Informatik auch für andere wissenschaftliche Disziplinen hervor.
Thomas Gabor hatte im Sommer 2015 sein Masterstudium im Fach Informatik erfolgreich an der LMU abgeschlossen. Im Winter 2015 begann er seine Arbeit als Doktorand am Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme der LMU. Im Zeitraum seiner Promotion war Gabor als Wissenschaftler in Forschung und Lehre an der LMU tätig und veröffentlichte eine Rekordanzahl an 42 wissenschaftlichen Paper. Im Juli 2021 hatte Gabor seine Dissertation über das Thema „Self-Adaptive Fitness in Evolutionary Processes“ erfolgreich verteidigt.

Der Heinz-Schwärtzel Preis ist eine der wenigen Ehrungen, die es für Informatik-Promotionen gibt. Die Auswahl wurde gemeinsam mit dem Stifter durch ein Komitee vorgenommen. Es war das erste Mal, dass der Informatik-Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme diese Auszeichnung gewann. Zuletzt ging der Preis vor vier Jahren an die LMU.

(Essen, 07.10.2021) Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien, Leiterin des QAR-Labs und des Lehrstuhls für Mobile und Verteilte Systeme am Institut für Informatik der LMU München wurde als eine der bundesweit führenden Köpfe zum Thema Quantencomputing auf die „E.ON Innovation Days“ eingeladen. Ihr Vortrag auf der dreitägigen Veranstaltungsreihe beschäftigte sich mit der Frage: „What can Quantum Computing do today to shape the energy world of tomorrow?“.

(Hamburg, 20.8.2021) „Rätsel Quantencomputer – Der Industrie fehlen die entscheidenden Softwareexperten“ titelte die WIRTSCHAFTSWOCHE vom 20. August 2021. Die Überschrift „Hat irgendjemand eine Ahnung davon?“ lässt den Stand der Dinge ahnen. Der Bericht beschreibt auf vier Seiten einen Zustand, der neben Quantenmechanik und erklärungsbedürftiger neuer Hardware selbst zum Thema werden könnte: Es gibt nicht genügend Experten, welche die neuen Quantencomputer bedienen können.

Leistungscomputer und Fördermilliarden würden in der Industrie die Begeisterung für Quantencomputer wecken. Doch Projekte würden stocken, so die Einschätzung, da es an Fachleuten mangle, die Ideen für Software hätten und diese entwickeln könnten.

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien berichtete über die Forschung ihrer Studierenden an Quantencomputern, die Entwicklung von Algorithmen und die jüngste Optimierungs-Challenge auf vier Quantenrechnern. „Die Algorithmen, mit denen wir heute einzelne logistische Anwendungsfälle oder Ladungen im Güterverkehr berechnen, können wir künftig nutzen, um den globalen Containertransport auf einen Schlag zu optimieren.“

Es sei nicht mehr die Frage, ob, sondern nur noch, wann es dafür ausreichend leistungsfähige Quantenrechner gäbe. Die Technologie entwickelt sich rasant, Quantenprojekte werden mit Milliarden gefördert. Allerdings fehlt es noch an IT-Experten, die mit den speziellen, auf Quantenmechanik basierenden Rechnern umgehen oder Aufgabenstellungen darauf definieren können.

Gemeinsames Projekt mit der Industrie – Neue Lernplattform „CAQAO“

Prof. Linnhoff-Popien widmet sich an ihrem Lehrstuhl am Institut für Informatik der LMU München diesem Thema. Sie verweist darauf, dass die Ausbildung von Informatikern im Bereich Quantencomputing dringlich sei, um die Rechner bedienen zu können. Ihr Lehrstuhl forscht im von Linnhoff gegründeten QAR-Lab (Quantum Applications & Research Laboratory) bereits seit 2016 an dem Thema.

Da noch grundlegende Kenntnisse für die Bedienung der Rechner fehlen würden und die Ausbildung im Quantencomputing praxisnah werden müsse, startet Claudia Linnhoff-Popien mit Industriepartnern nun ein gemeinsames Projekt, in dem die neue Lernplattform namens „CAQAO“ entwickelt werde. Das Programm soll künftig nötige Programmierkenntnisse vermitteln und in spätestens drei Jahren laufen.

Quantencomputer erobern derzeit die Welt. Es gibt sie von Google, IBM, Rigetti, es gibt Annealer von D-Wave und Fujitsu. Eine Vielzahl von Startups entwickeln neueste Ansätze und Technologien. Man kann solche Rechner kaufen, über die Cloud Rechenzeit mieten, als Co-Prozessor soll er High Performance Computer ergänzen. Parallel ist vom Quantenvorteil die Rede und die Wirtschaft wartet darauf, dass man Aufgaben lösen kann, die heute unlösbar sind, dass man schneller und besser ein Ergebnis erhält.

(09.08.2021) Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien spricht in einem Podcast darüber, wie Unternehmen in Deutschland der Einstieg in das Quantencomputing gelingen kann. Sie beleuchtet, wie Unternehmen einen frühen Quantenvorteil erreichen können und was die Zukunft des Quantencomputings verspricht. Das Podcast-Interview wurde auf Einladung von Bayern Innovativ geführt.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien und ihrem Forscher-Team des QAR-Labs haben 27 Studierende reale Anwendungsfälle von den Unternehmen BASF, BMW, SAP, Siemens und Trumpf auf Quantencomputern berechnet. Jeder Use Case wurde auf vier Rechnern programmiert, um das jeweils optimale Ergebnis zu erzielen. Genutzt wurden die Rechner:

• IBM Q System One
• Rigetti Aspen-9
• Fujitsu DAU
• D-Wave Advantage

In der dreistündigen Abschlusspräsentation stellten die Teilnehmer ihre Ergebnisse vor, die sie in den 20 Konstellationen erhalten hatten. Die geschlossene Veranstaltung hatte 50 Teilnehmer.

Lehrstuhl-Inhaberin Claudia Linnhoff-Popien berichtete über die komplexen Rahmenbedingungen, die das QAR-Lab im Vorfeld zu lösen hatte, um den LMU-Studierenden die Nutzung verschiedener echter Quantencomputer zu ermöglichen. Mit Kosten von rund 41.000 Euro, einem langen juristischen Vorlauf sowie einer herausfordernden Einarbeitung seitens der wissenschaftlichen Betreuer in die Nutzung dieser Rechner sei dies das aufwändigste Praktikum in der Geschichte des Lehrstuhls gewesen. Linnhoff-Popien freute sich: „Niemand in Deutschland bietet Studenten solche Möglichkeiten, Quantencomputing zu erfahren. Wir sind weltweit ganz vorne dran – darauf bin ich sehr stolz.“

Das im Jahr 2016 gegründete QAR-Lab verfolgt das Ziel, Quantencomputing einem breiten Nutzerkreis in Forschung und Wirtschaft niedrigschwellig zugänglich zu machen. Es widmet sich fortlaufend neuen Projekten, die eine Brücke zwischen Wissenschaft und Wirtschaft bilden.

Im Laufe des 12 Wochen langen Projekts „Quantum Computing Optimization Challenge“ gewannen die Forscher unterschiedliche Einsichten, wobei besonders Wert auf die Erkenntnisse zu Performanz, Rauschen und Nutzererfahrung im Zugriff auf die genutzte Quantencomputing-Hardware gelegt wurde. Es fand dabei ein detaillierter Vergleich der Ergebnisse in Abhängigkeit des Use Cases statt und es wurden Prognosen zur Entwicklung der jeweiligen Systeme erstellt. Mit den vier genutzten Rechnern wurde eine breite Abdeckung der aktuell verfügbaren Quanten-Hardware, sogar architekturübergreifend mit Gate-Modell- und Annealing-basierten Rechnern, erreicht.

Vorstellung von „Methoden und Lessons Learned“ während der Abschlussveranstaltung der QC-Challenge durch Sebastian Zielinski

Erste Erkenntnisse der Programmier-Challenge waren: Bereits heute können kleine Instanzen von realen Anwendungsfällen der Industrie mit Hilfe von Quantencomputern gelöst werden. Die Qualität der erhaltenen Lösungen ist dabei jedoch von zahlreichen Faktoren abhängig. Sämtliche Lösungsverfahren für Quantencomputer besitzen eine Vielzahl an Parametern, deren Einstellung großen Einfluss auf die Lösungsfindung hat. Das Auffinden der idealen Parameterwerte ist jedoch auf Grund fehlender Erfahrungswerte zeitaufwändig und kostenintensiv. Die Antwortzeiten unterliegen ebenfalls großen Schwankungen. Je nach Tageszeit variiert die Auslastung der Maschinen und damit die Antwortzeit der Quantencomputer. Bis man eine Antwort von einem Quantencomputer erhält, kann eine Zeitspanne im Bereich von wenigen Sekunden bis hin zu zahlreichen Stunden vergehen.

Durch fehlende Standardisierung im Hardwarezugriff mussten sich die verschiedenen Gruppen in die jeweils eigenen Software Development Kits (SDK) der verschiedenen Quantencomputer einarbeiten. Das hatte zur Folge, dass die an verschiedenen Stellen auftretenden Probleme individuell gelöst werden mussten. Die letzte Erkenntnis liefert einen Ausgangspunkt für eigene Grundlagenforschung im Bereich der Standardisierung von Zugriffstechnologien bzw. für Softwaretools, welche eine gewisse Komplexität beim Lösen von Use Cases mit Quantencomputern abstrahiert und somit den Lösungsfindungsprozess vereinfacht.

Experten des QAR-Labs zeigen sich optimistisch, dass die Wirtschaft in fünf bis zehn Jahren einen Quantenvorteil haben wird. Dann werden Quantencomputer Aufgaben lösen, die bei herkömmlichen Rechnern völlig unmöglich sind oder können dies immens schneller und für eine größere Komplexität.

Das Fazit der Veranstaltung

Wenn in einigen Jahren die Quantentechnologie die nötige Leistungsfähigkeit hat, um reale Industrieprobleme zu lösen, stehen vom QAR-Lab entwickelte Werkzeuge und Algorithmen sowie praktische ausgebildete Experten schon bereit. Sie werden der Wirtschaft mit ihrem Know-how die sofortige Nutzung des Quantencomputings ermöglichen. Daneben leistet das QAR-Lab durch solch praxisrelevante Veranstaltungen einen immensen Beitrag in der Ausbildung zukünftiger Quantencomputing-Experten.