250 Jahre Fortschritt in nur 25 Jahren: Azure Quantum Elements soll die chemische Forschung drastisch beschleunigen

  • Das global agierende Chemieunternehmen BASF gehört zu den weltweit ersten Nutzern von Azure Quantum Elements
  • Integration von KI mit der Einführung von Copilot für Azure Quantum
  • Fortschritte auf dem Weg zum Microsoft Quanten-Supercomputer

Am Mittwoch hat Microsoft auf der virtuellen Konferenz „Azure Quantum: Accelerating Scientific Discovery“ drei neue Funktionen für Azure Quantum angekündigt, das umfassende und offene Cloud-Ökosystem für Quantencomputing-Hardware, -Software und -Lösungen. Das global agierende Chemieunternehmen BASF gehört zu den ersten Unternehmen, das die Azure Quantum Elements Plattform als Ergänzung zum eigenen Supercomputer für quantenchemische Modellierungen nutzen wird, um die wissenschaftliche Forschung in Chemie und Materialwissenschaften und damit die Entwicklung neuer Werkstoffe und Chemikalien deutlich zu beschleunigen. Weiter stellte Microsoft den neuen Copilot in Azure Quantum vor. Mit Hilfe natürlicher Sprache hilft er Wissenschaftler*innen bei der Lösung komplexer chemischer und materialwissenschaftlicher Herausforderungen. Darüber hinaus hat Microsoft einen wichtigen, ersten Meilenstein auf dem Weg zu einem Quanten-Supercomputer erreicht.

Azure Quantum Elements: Ein Supercomputer für alle Forschenden

Azure Quantum Elements integriert den neuesten Stand der Entwicklung superschneller Rechner in den Bereichen High Performance Computing (HPC)künstliche Intelligenz (KI) und Quantencomputing. Mit Azure Quantum Elements können Wissenschaftler*innen und Produktentwickler*innen den Zeitaufwand und damit die Kosten für die Entwicklung neuer Produkte deutlich reduzieren und innovative Lösungen viel schneller auf den Markt bringen.

Die schnelle Rechenleistung der integrierten Systeme erweitert zudem den Suchraum für neue Materialien und Kombinationen von einigen Tausend auf mehrere zehn Millionen Kombinationsmöglichkeiten. Schliesslich lässt sich über Azure Quantum Elements auch die Simulation chemischer Prozesse und Reaktionen um den Faktor 500.000 beschleunigen. So lassen sich zum Beispiel Daten in nur einer Minute auswerten, für die man früher ein ganzes Jahr rechnen musste.

Die Private Preview von Azure Quantum Elements startet in wenigen Wochen. Unternehmen können sich ab sofort für die Teilnahme bewerben.

BASF nutzt als eins der ersten Unternehmen weltweit Azure Quantum Elements

Das Chemieunternehmen BASF will Azure Quantum Elements für anspruchsvolle Berechnungen als eine Ergänzung zum eigenen Supercomputer Quriosity nutzen, der über eine Rechenleistung von drei Petaflops verfügt.

„Chemie steckt in allem“, sagt Ansgar Schäfer, Vice President bei BASF und Leiter der Quantenchemieforschung des Unternehmens. „Um Produkte und Prozesse verbessern zu können, muss man die Chemie dahinter auf mikroskopischer Ebene verstehen. Und je komplexer die Herausforderung ist, desto mehr Rechenleistung wird benötigt. Azure Quantum Elements ist ein Werkzeug, das uns diese zusätzlich benötigte Rechenleistung bietet, um völlig neue Forschungsansätze voranzutreiben und die Effizienz und Geschwindigkeit der Entwicklung zu erhöhen.“

BASF
BASF-Chemikerin Dr. Fangfang Chu (links) und Molekularsimulationsexperte Dr. Eduard Schreiner diskutieren die Computersimulation von Mikrokapseln, die die Wirkstoffe von Produkten wie Vitaminen umschliessen und schützen. Die BASF nutzt Azure Quantum Elements, um die Geschwindigkeit und Effizienz der Entwicklung zu erhöhen. (Quelle: BASF SE)

Die zusätzliche Rechenleistung wird dazu beitragen, ein genaueres Bild der umfangreichen und komplizierten chemischen Reaktionsnetzwerke sowie der komplexen Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften von Materialien zu erhalten. Dadurch kann die Entwicklung von Produkten wie Katalysatoren oder Batteriematerialien beschleunigt werden.

„Wenn man kurzfristig eine grössere Menge an zusätzlicher Rechenleistung benötigt, ist das nur mit Cloud-Ressourcen möglich“, so Schäfer. „Die BASF nutzt die High-Perfomance-Computing-Fähigkeiten von Azure Quantum Elements, um ihre Forschungs- und Entwicklungskapazitäten weiter auszubauen und Innovationen zu beschleunigen, damit nachhaltigere Produkte schneller auf den Markt gebracht werden können.“

Und Stephan Schenk, Product Manager für High Performance Computing bei BASF, ist davon überzeugt, „dass mit der Cloud jeder Chemikerin und jedem Chemiker ein Supercomputer zur Verfügung stehen kann.“ Seit 25 Jahren beobachtet er, wie HPC sich entwickelt und weiterverbreitet.

„Die Software und die erforderliche Hardware können für Unternehmen und Forschungseinrichtungen eine grosse Hürde darstellen. Während wir bei BASF über ein engagiertes Team von Mitarbeitenden mit den richtigen Kompetenzen zum Betreiben einer derartigen Supercomputer-Umgebung verfügen, ist das bei vielen anderen nicht der Fall“, so Schenk. „Mit der Azure-Cloud erhält man unkompliziert Zugang zu einer vollwertigen Umgebung, die die gängigsten Programme enthält. Dies senkt die Eintrittshürde und wird erheblich zur weiteren Verbreitung dieser Werkzeuge beitragen.“

Neuer Copilot in Azure Quantum unterstützt die Lösung komplexer chemischer und materialwissenschaftlicher Probleme

Zeitgleich mit der Vorstellung von Azure Quantum Elements kündigt Microsoft den Copilot für Azure Quantum an, der Wissenschaftler*innen bei der Lösung komplexer chemischer und materialwissenschaftlicher Probleme mit Hilfe natürlicher Sprache unterstützt – einschliesslich der Integration mit den Tools, die sie heute bereits verwenden. Dazu zählen zum Beispiel das Erstellen komplexer Berechnungen und Simulationen, die Abfrage und Visualisierung von Daten und geführte Antworten auf komplexe Konzepte.

So wie grosse Sprachmodelle auf die menschliche Sprache trainiert werden, lernen diese Modelle die Sprache der Natur, nämlich die Quantenphysik. Wenn eine künstliche Intelligenz darauf trainiert wird, Quantenphysik und Quantenchemie zu verstehen, dann kann diese KI helfen, die Eigenschaften von Materialien vorherzusagen, und sie kann helfen, Moleküle und Materialien zu entwerfen. Aber erst mit einem Quantencomputer wird die KI wirklich leistungsfähig werden.

Der neue Copilot hilft auch dabei, das Quantencomputing selbst zu verstehen und Code für aktuell verfügbare Quantencomputer zu schreiben. Copilot für Azure Quantum ist eine vollständig integrierte, browserbasierte Anwendung, die für Tests kostenlos zur Verfügung steht und über einen integrierten Code-Editor, einen Quantensimulator und eine nahtlose Code-Kompilierung verfügt. Probieren Sie es noch heute aus!

Erster Meilenstein erreicht: Microsofts Roadmap zu einem Quanten-Supercomputer

Die Ankündigungen von Microsoft sind Meilensteine auf dem Weg zu Quanten-Supercomputern, die zum Beispiel die Entwicklung neuer Chemikalien und Materialien drastisch beschleunigen werden. Die Entwicklung wird sich dabei grob in drei Stufen vollziehen:

    • Stufe 1 – Fundament: Quantensysteme auf Basis sogenannter Noisy Physical Qubits, zu denen alle heutigen NISQ-Computer gehören („Noisy Intermediate Scale Quantum“).
    • Stufe 2 – Resilienz: Quantensysteme, die auf zuverlässigen logischen Qubits laufen.
    • Stufe 3 – Skalierung: Quanten-Supercomputer, die Probleme lösen können, an denen selbst die leistungsfähigsten klassischen Supercomputer scheitern.

Für diese Entwicklungen bedarf es eines grundlegenden Durchbruchs in der Physik. Microsoft hat diesen Durchbruch erzielt und dafür in einer von der „American Physical Society“ herausgegebenen Zeitschrift von Fachleuten geprüfte Daten vorgelegt.

Damit hat Microsoft den ersten Meilenstein auf dem Weg zu einem Quanten-Supercomputer erreicht. Als Unternehmen ist Microsoft nun in der Lage, sogenannte Majorana-Fermionen zu erzeugen und zu kontrollieren, und damit auf dem besten Weg, ein neues, hardwaregeschütztes Qubit zu entwickeln. Darüber können dann weitere logische Qubits konstruiert werden, um mit Resilienz die nächste Stufe zu erreichen und anschliessend die Leistung zu skalieren.

Microsoft's roadmap to a quantum supercomputer

Microsofts Roadmap zu einem Quanten-Supercomputer:

1. Majorana-Fermionen erstellen und kontrollieren: Erreicht!

2. Hardware-geschütztes Qubit: Das historisch als „topologisches Qubit“ bezeichnete Qubit wird über einen eingebauten Fehlerschutz verfügen. Dieses Qubit wird skalierbar sein, um ein zuverlässiges Qubit zu erreichen, und damit die Entwicklung eines Quanten-Supercomputers ermöglichen. Sie sind …

  • klein: Jedes unserer hardwaregeschützten Qubits wird weniger als 10 Mikrometer gross sein, so dass eine Million davon auf die Grundfläche eines Smartchips einer Kreditkarte passen wird. Das ermöglicht einen Einzelmodul-Computer von geringer Grösse.
  • schnell: Jede Qubit-Operation wird weniger als eine Mikrosekunde dauern. So lassen sich Probleme in Wochen lösen, für die wir früher Jahrzehnte oder Jahrhunderte gebraucht haben.
  • steuerbar: Unsere Qubits werden durch digitale Spannungsimpulse gesteuert, um sicherzustellen, dass eine Maschine mit Millionen von Qubits keine übermässige Fehlerrate aufweist oder eine unerreichbare Eingangs-/Ausgangsbandbreite benötigt.

3. Hardware-geschützte hochwertige Qubits können durch Verschachtelung betrieben werden. Damit lässt sich die Fehlerrate durch eine Reihe von Qualitätsverbesserungen reduzieren.

4. Multi-Qubit-System: Über ein Multi-Qubit-System können eine Vielzahl von Quantenalgorithmen ausgeführt werden, wenn mehrere Qubits zusammen als programmierbare Quantenverarbeitungseinheit (QPU) in einer vollwertigen Quantenmaschine arbeiten.

5. Resilientes Quantensystem: Hier handelt es sich um eine Quantenmaschine, die zuverlässige logische Qubits verwendet und qualitativ hochwertigere Operationen durchführen kann als die zugrunde liegenden physikalischen Qubits. Dieser Durchbruch ermöglicht die ersten verlässlichen Quanten-Rechenoperationen pro Sekunde (reliable Quantum Operations Per Second; rQOPS).

6. Quanten-Supercomputer bezeichnet ein Quantensystem mit mindestens einer Million rQOPS und einer Fehlerrate von höchstens 10 bis 12 (entspricht eins zu einer Billion). Das System ermöglicht es Forschern, wissenschaftliche Probleme zu lösen, die auf einem klassischen oder NISQ-Computer unlösbar sind.

Sie können die Ankündigungen der Microsoft Corporation sowie vertiefende Beiträge zu den Neuheiten (in englischer Sprache) nachlesen:

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