BPM steuert wissenschaftliche Quantensimulationen
HQS Quantum Simulations GmbH
Die Ausgangssituation
Unser Kunde, HQS Quantum Simulations GmbH, bietet Simulationssoftware für Materialwissenschaftler:innen in der chemischen Industrie an. Die Entwicklung funktioneller Moleküle oder Festkörperverbindungen erfordert viele nachfolgende Synthese-, Formulierungs- und Testschritte, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Daher sind vorausgehende Simulationen auf quantenmechanischer Ebene der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen und Prozesse in Molekülen und Materialien.
Für die Bereitstellung solcher Simulationen müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden. So können diese wissenschaftlichen Simulationen einerseits sehr langwierig sowie ressourcen- und datenintensiv sein. Auf der anderen Seite ist der End-to-End-Prozess für die Ausführung einer Simulation ein sehr experimenteller und iterativer Prozess.
Beispiele dafür sind:
- der Umgang mit Fehlerreports
- das erneute Ausführen einzelner Simulationsschritte
- die weitere Nutzung von Zwischenergebnissen
- notwendige Benutzerinteraktionen während der Simulation
- die Parametrisierung der Simulationsprogramme
- die Nutzung unterschiedlicher Hardware je nach Problemstellung und Simulationsweg
Diese Vielfalt an Optionen und der aufwendige Prozess rund um die eigentliche Simulation ist für die Materialwissenschaftler:innen schwer zu handhaben.
Sie ist zudem nicht Kern deren Expertise, die vielmehr im Bereich der Simulationen, bei denen quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen, liegen.
Das Vorgehen
Novatec wurde beauftragt, HQS bei der Entwicklung eines Softwareprototypen zur Ausführung der Simulationsexperimente zu unterstützen. Ziel war, dass sich die Materialwissenschaftler:innen auf die Erstellung der Simulationsprogramme konzentrieren können und für alle anderen Bestandteile des Simulationsprozesses eine einfach zu handhabende Prozessunterstützung erhalten.
Dazu modellierten wir unter Verwendung des weithin akzeptierten Standards Business Process Modelling and Notation 2.0 (BPMN 2.0) einen Prozess, den die Wissenschaftler:innen auslösen können. Dieser BPMN-Prozess ruft einen Microservice auf, der für das Abrufen der entsprechenden Molekülstruktur verantwortlich ist
und löst danach eine Simulation aus, die in einer separaten Simulationsumgebung ausgeführt wird. Sobald die Simulation beendet ist, werden die Ergebnisse gespeichert und den Wissenschaftler:innen zur Verfügung gestellt.
Die Ergebnisse
Die Camunda-Orchestrations-Engine wird für die Orchestrierung von Microservices verwendet und kann Herausforderungen, die durch verteilte Umgebungen entstehen, wie z.B. Fehlerbehandlung und Zustandsspeicherung bei langlaufenden Prozessen, von Haus aus bewältigen.
Camunda selbst unterstützt typischerweise Java-basierte Projekte. Die Simulationen werden jedoch durch Softwarepakete realisiert, die in unterschiedlichen Programmiersprachen, zumeist Python, realisiert sind. Hierfür haben wir das External Task Client Pattern verwendet, das es Camunda ermöglicht, mit Anwendungen zu kommunizieren, die in anderen Sprachen als Java entwickelt wurden.
Der Microservice für das Abrufen der Molekülstruktur wurde in Flask entwickelt und kommuniziert mit einer MongoDB-Datenbank. Die gesamte Architektur wurde auf der Basis lose gekoppelter Komponenten entwickelt, um eine zukünftige Migration in eine Quantencomputer-Cloud-Umgebung zu erleichtern.
Das Ergebnis ist eine maßgeschneiderte Software, die die Eigenschaften von Molekülen und Materialien auf
der Quantenebene modelliert und den Wissenschaftler:innen die tieferen Einblicke ermöglicht, die sie benötigen, um die optimale Lösung zu finden. Dabei vereinfacht der entwickelte Prozess auf Basis von Camunda und die Integration der Simulationsmodule die Arbeit der Wissenschaftler:innen entscheidend. Der End-to-End-Prozess ist vollständig automatisiert und ermöglicht den Forscher:innen, sich ganz auf die Erstellung optimaler Simulationen zu fokussieren.
Business Process Management
Als Experten für Prozessautomatisierung und individuelle Softwarelösungen bringen wir Ihre BPM-Systeme auf den neuesten Stand der Technik. Wir wissen, wie sich Ihre Geschäftsprozesse digitalisieren lassen – und wie man sie zukunftssicher macht.
Die erforderlichen Skills und Werkzeuge bringen wir ebenfalls mit. So liefern wir Ihnen das Fundament, das Ihr Geschäftsmodell skalierbar macht.
Der Kunde – HQS Quantum Simulations GmbH
HQS bietet Software für Materialwissenschaftler:innen in der chemischen Industrie und im akademischen Bereich an.
Hochentwickelte Modelle auf Quantenebene von Materialien und ihren molekularen Eigenschaften geben Forscher:innen die
tieferen Einblicke, die sie benötigen, um die ideale Lösung für ihre Bedürfnisse zu finden. Das 2017 gegründete Unternehmen
ist Europas führendes Startup für komplexe Quantensimulationen und beschäftigt inzwischen mehr als 30 Expert:innen.
Beeindruckt hat mich die Breite der Kompetenzen in der Novatec. Egal wie speziell ein Thema war oder wie unscharf eine Frage gestellt wurde: unter den Expert:innen bei der Novatec gab es jemanden, der half die Fragestellung zu schärfen und anschließend eine fundierte Antwort darauf gab.
Sebastian Lehmann
HQS Quantum Simulations GmbH
Besonders interessant war der Einsatz von Camunda für die Steuerung komplexer Simulations-Workflows und damit in einem völlig neuen, untypischen Umfeld. Die potenziell auf Quantencomputern ausgeführten Microservices mittels BPMN anzusteuern war eine außergewöhnliche Erfahrung.
Thorsten Jakoby
Novatec Consulting GmbH
