Podcast mit Prof. Robert Wille - Design Automation im Wandel der Zeit

Mein heutiger Gast ist Robert Wille, Professor für Computerwissenschaften. Unter anderem sprechen Robert und ich über Designautomatisierung im Laufe der Jahrhunderte und diskutieren die Analogien zwischen klassischem Design und der Quantenwelt.

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Die vollständige Abschrift finden Sie unten

Yuval: Hallo, Robert, und danke, dass Sie heute bei mir sind.

Robert: Hallo, schön, dass Sie mich haben.

Yuval: Also, wer sind Sie und was machen Sie?

Robert: Ich bin Robert Wille. Ich bin Professor an der Johannes Kepler Universität in Österreich. Und seit vielen Jahren arbeite ich im Bereich der Entwurfsautomatisierung. Zuerst habe ich mit der Entwurfsautomatisierung für klassische Schaltungen und Systeme begonnen. Aber jetzt, seit fast 15 Jahren, arbeite ich auch daran, entsprechende Methoden für das Quantencomputing zu entwickeln. Das ist, glaube ich, der Grund, warum ich hier bin.

Yuval: Und nur der Transparenz halber: Sie sind auch Teil unseres technischen Beirats, und dafür sind wir sehr dankbar. 

Was versteht man unter Designautomatisierung?

Robert: Es bedeutet wörtlich die Automatisierung des Entwurfsprozesses. Und in diesem speziellen Fall natürlich der Entwurf von Schaltungen und Systemen. Aber es könnte viele, viele andere Dinge bedeuten. Die Hauptmotivation ist, dass wir beim Entwurf und der Entwicklung heutiger Systeme mit erheblicher Komplexität zurechtkommen müssen. Das nächste Smartphone, die nächste KI-Lösung, das sind Systeme, die man nicht mehr manuell entwerfen und entwickeln kann. Irgendwann muss man das Design automatisieren, weil man die schiere Komplexität nicht mehr bewältigen kann.

Heutige Systeme bestehen aus Millionen oder gar Milliarden von Transistoren oder Bauteilen, und man zeichnet die Netzliste eines solchen Systems nicht mehr auf ein Whiteboard. Man braucht automatische Methoden für die Synthese, für die Kompilierung, für die Überprüfung, ob alles richtig funktioniert, und das ist es, was wir entwickeln. Und die größte Herausforderung ist in der Tat, wie man mit dieser enormen Komplexität umgeht.

Yuval: Also, ist das wie VHDL oder Verilog oder diese Arten von Sprachen, die schon eine Weile entwickelt werden? Könnten Sie mir ein wenig mehr Details über Ihre spezifische Arbeit geben, woran Ihre Gruppe interessiert ist?

Robert: Programmiersprachen oder Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL sind einige der Mittel, die wir verwenden. Und ich würde sagen, dass wir 50 % unserer Arbeit und Forschung immer noch für die Entwicklung von Methoden für das klassische Rechnen verwenden, aber die anderen 50 % auch für neue Technologien, einschließlich des Quantencomputings.

Und da Sie nach einem konkreten Beispiel gefragt haben, ein typisches Szenario ist: Sie haben etwas in VHDL entworfen, z. B. ein bestimmtes Steuerungssystem, etwas, das einen Zug oder ein Flugzeug oder etwas Ähnliches steuert. Die Verkehrsprävention ist ein einfaches Beispiel, das wir in unseren Vorlesungen verwenden. Und Sie haben das in VHDL entwickelt und fragen sich jetzt vielleicht: "Okay, können Sie das so einsetzen, dass Sie sich wohlfühlen, dass dieses System jetzt in der Praxis eingesetzt wird? Oder möchten Sie lieber so etwas wie einen Check haben, der sicherstellt, dass nichts Schlimmes passiert?" Es passiert nichts Unerwünschtes mit dem System. Was machen Sie also normalerweise?

Sie haben Ihren Entwurf, zum Beispiel in VHDL. Und dann haben Sie bestimmte Eigenschaften oder Sicherheitsgarantien, die Sie bereitstellen wollen. Und dann entwickeln wir Methoden, mit denen Sie Ihren Entwurf und bestimmte Eigenschaften einfach in eine Blackbox eingeben können. Diese Blackbox bestimmt dann auf Knopfdruck, ob Ihre Eigenschaft tatsächlich zutrifft oder ob es eine Situation gibt, in der etwas Schlimmes passiert, z. B. dass die Eigenschaften versagen.

Dies ist ein Beispiel, in der Regel das Beispiel der Verifizierung. Ein anderes Beispiel ist die Synthese. Sie schreiben Ihren VHDL-Code, drücken den Knopf, und dann wird der VHDL-Code synthetisiert. Oder kompiliert, wenn wir über Softwaresysteme für eine bestimmte Architektur, für eine bestimmte Technologie usw. sprechen. Und all diese Tools, in die man einfach sein Design einbringt, und die dann automatisch eine Netzliste oder eine Proof-Bedingung generieren - das sind die Tools, die wir entwickeln; das ist im Grunde das, was wir tun.

Yuval: Der Prozess, dies für die Netzliste, die Synthese und die Verifizierung von Elektronikdesigns zu tun, existiert schon seit vielen Jahren. Inwiefern ist Quantum ähnlich und inwiefern unterscheidet sich Quantum von diesen traditionellen Methoden?

Robert: Es gibt viele Ähnlichkeiten. Wenn wir uns die Geschichte ansehen, dann sind diese Werkzeuge, die Sie gerade erwähnt haben, nicht erst seit ein paar Jahren verfügbar, sondern wir als Gemeinschaft entwickeln sie seit Jahrzehnten. Und es ist interessant, die parallele Entwicklung von klassischem Computing und Quantencomputing zu sehen, denn ursprünglich haben beim klassischen Computing Elektroingenieure die ersten Computer gebaut, und dann haben sie sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, so dass sie plötzlich, wie ich schon sagte, erkannten: "Okay, wir brauchen Automatisierung."

Sie haben sogar ein ganzes Fachgebiet gegründet, die Informatik, um das herum. Irgendwann wurden also Computer von Elektroingenieuren entwickelt, und irgendwann erkannte die Gemeinschaft: "Okay, wir brauchen Informatiker. Wir brauchen Leute, die Software entwickeln, die automatische Methoden dafür entwickeln." Und es ist sehr interessant, dass wir beim Quantencomputing eine ganz ähnliche Entwicklung beobachten können. Denn die ersten Ideen zum Quantencomputing kamen natürlich von Leuten aus der Theorie, dann haben Physiker die ersten Quantencomputer gebaut.

Und jetzt erkennen wir mehr und mehr, dass wir, ähnlich wie wir das vor vielen Jahrzehnten für das konventionelle klassische Rechnen gesehen haben, jetzt auch Leute brauchen, die Software für das Quantencomputing entwickeln können. Die bestimmte Anwendungen für das Quantencomputing realisieren können. Diese Parallele ist also wirklich interessant zu sehen. Auf der anderen Seite können wir auch die Herausforderungen sehen. In der Welt des klassischen Rechnens gibt es etwas, das wir als Entwurfslücke oder Verifikationslücke bezeichnen, was bedeutet, dass unsere Fähigkeit, etwas richtig zu entwerfen und die uns zur Verfügung stehende Technologie zu nutzen, begrenzt ist.

Wir haben also in der klassischen Welt bis heute eine Situation, in der wir leistungsfähigere Maschinen entwickeln oder realisieren können, als wir tatsächlich nützliche Anwendungen und Software dafür entwickeln können. Und beim Quantencomputing ist es interessant, dass wir in den letzten Jahren, als ich mit dem Quantencomputing begann, noch nicht über diese leistungsstarken Quantencomputer verfügten. Wir hatten sehr prototypische Systeme, und die sind immer noch begrenzt. Aber jetzt sehen wir diese Entwicklung in den letzten Jahren.

Und ich habe das Gefühl, dass wir uns in der Quantenwelt etwas nähern, was wir in der klassischen Welt gesehen haben: eine Art Konstruktionslücke, die dazu führen könnte, dass wir sehr bald eine Situation erreichen, in der wir über leistungsfähigere Quantencomputer verfügen als über Methoden und Mittel, um sie richtig zu nutzen oder sie richtig auszunutzen. Und genau daran arbeiten wir, um diese Entwicklungslücke zu vermeiden oder sie zumindest so klein wie möglich zu halten.

Yuval: Wenn Leute Abstraktionssprachen entwerfen, sei es Hardware-Beschreibungssprachen oder die Parallele in der Quantenphysik, kommen manchmal Kritiker und sagen: "Nun, wenn man eine Abstraktionsschicht entwirft, verliert man etwas. Man verliert die Fähigkeit, die einzigartigen Eigenschaften der Maschine zu nutzen." Und heute haben die verschiedenen Hersteller von Quantencomputern unterschiedliche Eigenschaften, unterschiedliche Architekturen. Ist es also zu früh, eine Abstraktionsschicht für Quantencomputer zu entwickeln, oder zu spät? 

Robert: Eine sehr gute Frage. Und ich habe zwei verschiedene Antworten darauf: Einerseits befinden wir uns derzeit tatsächlich in einer Situation, in der wir eng mit den Physikern zusammenarbeiten müssen, die die Quantencomputer bauen. Ich betrachte mich als Informatiker, und in dieser Hinsicht mag ich Abstraktionen. Ich habe zwar eine ungefähre Vorstellung davon, wie die Physik des Quantencomputers funktioniert, aber ich bin kein Experte für Quantenphysik. Und in dieser Hinsicht verlasse ich mich auf Abstraktionen, weil das die einzige Möglichkeit ist, wie ich meinen Hintergrund in der Informatik nutzen kann, um die Komplexität zu bewältigen. Und im Moment haben Sie absolut Recht, dass wir trotzdem nahe am Physiker sein müssen, um die Probleme zu verstehen. Denn die heutigen Maschinen sind immer noch begrenzt, und wir müssen wirklich versuchen, die physikalischen Zwänge so gut wie möglich zu respektieren und zu erfüllen.

Langfristig jedoch, wenn die Physikgemeinschaft die Quantencomputer immer besser, skalierbarer, zuverlässiger, weniger fehleranfällig und so weiter macht, bin ich mir ziemlich sicher, dass wir mehr Abstraktionen brauchen. Und noch einmal, ein schönes Beispiel ist, wenn man sich ansieht, wie die Entwicklung verläuft: Wir haben dieses exponentielle Wachstum der klassischen Rechenleistung. Und wenn Sie sich jetzt die Roadmaps von IBM, Honeywell und so weiter und so fort ansehen, dann sehen Sie eine sehr ähnliche Entwicklung. Ich gehe davon aus, dass wir eher früher als später eine Situation erreichen werden, in der die Komplexität rapide zunimmt. Und eines der wichtigsten Mittel zur Bewältigung dieser Komplexität sind Abstraktionen.

In ähnlicher Weise bauen und arbeiten wir heute nicht mehr mit Transistoren, um eine Anwendung zu realisieren. Beim Quantencomputing werden wir auch Hochsprachen und automatische Werkzeuge und Compiler verwenden, die auf bestimmten Abstraktionsebenen nicht mehr so maschinenspezifisch sind.

Und ich denke, es ist völlig in Ordnung und lohnenswert, schon jetzt an diesen Abstraktionen zu forschen, damit wir auf eine Situation vorbereitet sind, in der die Komplexität so stark zunimmt. Und für eine Situation, in der wir vielleicht in der Lage sind, die physikalischen Anforderungen auf diesen niedrigeren Ebenen zu bewältigen, und wir können sie auf der höheren Ebene abstrahieren. Ich glaube also wirklich, dass beides notwendig ist. Wir müssen heute mit diesen physikalischen Details umgehen können, aber wir sollten uns auch darauf vorbereiten, dass wir in Zukunft mehr davon abstrahieren können.

Yuval: Bei klassischen Computern gibt es all diese Abstraktionsebenen bereits, oder? Wenn ich eine Webseite entwerfe, muss ich nicht wissen, wie CMOS-Transistoren funktionieren. Und es gibt viele, viele Softwareschichten zwischen der Webseite und dem, was tatsächlich auf der Hardware läuft. Also, das ist gut. Und nehmen wir an, dass dies auch bei Quantencomputern der Fall ist, dass man dort eine Abstraktion hat.

Heutzutage werden jedoch aufgrund von Kohärenzproblemen und Fehlern viele Algorithmen in einer hybriden klassisch-quantischen Form geschrieben. Gibt es einen Sonderfall dieser Abstraktion, wenn man sich mit hybriden Algorithmen befasst, oder handelt es sich nur um zwei getrennte Lager mit einer kleinen Schnittstelle dazwischen?

Robert: Um ehrlich zu sein, ich weiß es nicht wirklich. Ich bin mir nicht sicher, wohin uns diese ganze Entwicklung letztendlich führen wird. Im Moment ist mein Verständnis, mein Gefühl: Wenn man eine Anwendung für das Quantencomputing realisieren will, braucht man ein Verständnis für das Quantencomputing. Die Art und Weise, wie wir einen Quantencomputer programmieren, wie wir ihn nutzen wollen, setzt im Moment noch voraus, dass der entsprechende Entwickler versteht, wie Quantencomputing prinzipiell funktioniert. Nicht physikalisch, aber zumindest methodisch. Man muss ein Verständnis für Superposition, Verschränkung und solche Dinge haben.

Vielleicht können wir in der Zukunft davon abstrahieren, aber im Moment sehe ich nicht, wie das heute wirklich funktionieren könnte. Und das ist, denke ich, auch eine der großen Herausforderungen, wenn wir in der Gemeinschaft darüber sprechen, was wir erreichen müssen, um das Quantencomputing zu etablieren.

Natürlich brauchen wir Physiker, die uns die Computer bauen. Wir brauchen die Software und so weiter und so fort. Aber wir haben auch diese riesige Diskussion - Sie sind damit sehr vertraut - über die Quantenarbeitskräfte, richtig? Wir brauchen also Leute, die für diese spezielle Gemeinschaft ausgebildet sind. Und ich bin der festen Überzeugung, dass wir diese hochqualifizierten Experten auch heute noch brauchen. Wir müssen die Leute ausbilden. Sie müssen einen Hintergrund im Quantencomputing auf einer gewissen Abstraktionsebene haben. Vielleicht werden wir in Zukunft einen Punkt erreichen, an dem wir davon abstrahieren können, aber ich sehe das eher in der mittel- oder langfristigen Zukunft.

Im Moment sehe ich niemanden, der in der Lage ist, eine Anwendung eines Quantencomputers zu implementieren oder zu realisieren, indem er sich zum Beispiel nur auf konventionelle klassische HDLs verlässt. Man braucht immer noch eine Art von Quantenbeschreibungsmittel und ein Verständnis dafür.

Yuval: Sie sind Professor an einer österreichischen Universität, und ich sehe, dass in den USA einige Universitäten beginnen, Masterstudiengänge in Quanteninformationswissenschaft oder ein Doktorandenprogramm anzubieten. Können Sie mir sagen, wie die Situation in Europa in Bezug auf die Ausbildung von Arbeitskräften im Bereich der Quanteninformation aussieht?

Robert: Das wird zu einem Problem. Also fangen die Leute an, das in ihre Vorlesungen und so weiter einzubringen. Ich sagte, dass ich seit 10, 15 Jahren im Bereich Quantencomputing arbeite. Und besonders in den Masterprogrammen hatte ich bereits Vorlesungen, die ich als neue Technologien bezeichnete, in denen ich Themen wie Quantencomputing behandelte. Und zwar deshalb, weil ich immer das Gefühl hatte, dass die junge Generation, die jetzt ihren Master- oder Bachelor-Abschluss oder vielleicht sogar ihren Doktortitel macht, ganz sicher mit Quantencomputing in Berührung kommen wird, weil sie ihr ganzes Leben noch vor sich hat.

Ich sagte meinen Studenten immer wieder: "Ich bin ein Professor. Ich habe eine Festanstellung." Wahrscheinlich könnte ich sagen: "Nun, das ist mir egal, denn ich bin mit meiner Karriere mehr oder weniger fertig. Ich mache es nur noch, weil ich immer noch mit Leidenschaft dabei bin. Aber ihr Jungs, also meine Studenten, ihr habt noch viele Jahrzehnte als Informatiker vor euch. Ihr solltet wissen, was vor sich geht." Und ich mache das erst seit 10, 15 Jahren.

Und auch an den Universitäten werden jetzt Programme aufgebaut. Ich weiß, dass wir auch an unserer Universität einen Schwerpunkt auf diese Thematik legen. Jedes europäische Land, wahrscheinlich jedes Land der Welt, hat festgestellt, dass das Quantencomputing ein Thema wird. Wie etabliert es sein wird? Das weiß niemand wirklich! Aber wir wissen, dass die Menschen darüber aufgeklärt werden sollten. Ich will damit nicht sagen, dass wir unsere Lehrpläne heutzutage völlig umstellen, wir bringen unseren Schülern immer noch diese herkömmlichen klassischen Programmiersprachen bei. Das macht natürlich Sinn, denn wir sprechen nicht davon, dass Quantencomputer die herkömmlichen Computer ersetzen werden. Es wird nur eine größere Vielfalt an Rechenparadigmen geben, und Quantencomputing ist eines davon. Und wir bringen unseren Studenten bei, wie sie damit umgehen können.

Zumindest fangen wir damit an. In meiner Vorlesung gehe ich also auf Dinge ein wie: "Okay, wie benutzt man bestimmte Tools wie Qiskit, wie Cirq und so weiter und so fort." Und ich zeige diese Spielzeuganwendungen und Beispiele, die es gibt. Aber ich muss auch zugeben, dass wir noch keine vollwertigen Anwendungen realisieren. Aber ich bin mir ziemlich sicher, dass sich in den nächsten Jahren auch meine eigenen Vorlesungen dahingehend ändern werden, dass wir nicht mehr nur mit Spielzeugbeispielen herumspielen, sondern mit praktischen, relevanten Beispielen aus der realen Welt, die unsere Studenten in einem Quantensystem implementieren müssen. Das wird sich also sicherlich ändern. Und an den Universitäten ist das heutzutage definitiv ein Thema.

Yuval: Und um beim europäischen Blickwinkel zu bleiben: Wenn Sie sich die großen Industrieunternehmen in Europa ansehen, verlassen sie sich auf die Universitäten, um die Arbeitskräfte bereitzustellen, die sie für die Quantencomputer-Forschungsprojekte benötigen? Oder machen sie heute etwas anderes?

Robert: Gute Frage. Ich würde sagen, ein bisschen von beidem. Wenn ich mir ansehe, was insbesondere in Europa passiert, sehe ich viele Unternehmen, die sagen: "Okay, ich habe von dieser Quantencomputer-Sache gehört. Können Sie mir sagen, was es damit auf sich hat?" Also Unternehmen, die sich noch nicht wirklich die Hände schmutzig machen wollen, die aber das Gefühl haben: "Okay, ich sollte wohl informiert sein. Verpasse ich etwas?" Es gibt also durchaus solche Unternehmen, und das ist auch gut so. Ich sage nicht, dass jeder sofort auf den Quantencomputer-Zug aufspringen sollte.

Aber als ich vor 10, 15 Jahren mit dieser Quantencomputer-Sache anfing, war ich der verrückte Typ mit dieser Zukunftstechnologie, die so weit in der Zukunft liegt. Ich bin also schon froh, dass wir jetzt ein Feedback bekommen, vor allem von Unternehmen, die sagen: "Nun, das scheint ein Ding zu sein. Könnt ihr mich unterrichten? Könnt ihr mir Nachhilfe geben? Fehlt mir da etwas?" Das ist eine Möglichkeit. Und dann gibt es andere Unternehmen, die sagen: "Okay, wir wollen sofort mitmachen."

Sie haben also die Frage gestellt, ob dies von den Universitäten oder der akademischen Welt oder von der Industrie vorangetrieben wird oder nicht. Ich würde sagen, dass die Unternehmen jetzt auch Geld in die Hand nehmen, um beispielsweise Universitäten oder Forschungsprojekte zu finanzieren oder um ihre eigenen Forschungslabors innerhalb ihrer Unternehmen zu finanzieren.

Ich habe das Gefühl, dass sowohl die Regierung als auch die Industrie ihre Mittel für das Quantencomputing deutlich aufgestockt haben. Ich vermute, dass sie sich damit auf eine Zeit vorbereiten wollen, in der sich das Quantencomputing etabliert, und dass sie darauf vorbereitet sein wollen. Ich würde also nicht sagen, dass es nur die akademische Welt ist. Ich sehe auch viele Unternehmen, die in die akademische Welt investieren, um diesen Bereich zu entwickeln. Aber ehrlich gesagt kenne ich in Europa keine Erfolgsgeschichten in dem Sinne: "Okay, wir haben ein europäisches Unternehmen, das mit Quantencomputing viel Geld verdient." Aber sie investieren, und ich bin mir ziemlich sicher, dass sie investieren, weil sie erwarten, dass sich ihre Investitionen in ein paar Jahren auszahlen werden.

Ich würde also sagen, dass sowohl die Regierung als auch die Industrie in erheblichem Umfang in diese Technologie investieren und versuchen, Europa als wichtigen Akteur in der Welt in dieser Technologie zu etablieren.

Yuval: Da wir uns dem Ende unseres Gesprächs nähern, nehmen wir an, ich hätte Ihnen einen Zauberstab in die Hand gegeben, und Sie könnten nun den Arbeitsplan der großen Software- und Hardwareunternehmen und auch der kleinen Unternehmen kontrollieren. Woran sollen sie Ihrer Meinung nach in den nächsten zwei oder drei Jahren arbeiten?

Robert: Das ist eine gute Frage, denn ich bin mir nicht sicher, ob ich das öffentlich sagen sollte, aber ich habe ein wenig das Gefühl, dass das, was die Gesellschaft, die Gemeinschaft, die Industrie und die Regierungen derzeit tun, um ehrlich zu sein, genau dem entspricht, was ich mir wünschen würde. Denn vor 10, 15 Jahren habe ich angefangen, an der Quanteninformatik zu arbeiten, und ich war dieser verrückte Typ, der an dieser Zukunftstechnologie arbeitete. Es hat mir Spaß gemacht und ich fand es toll, dass die Wissenschaft die Arbeit an diesen neuen Technologien ermöglicht.

Und zu dieser Zeit hätte ich wirklich gerne diesen Zauberstab, um die Leute davon zu überzeugen, dass das, was ich tue, tatsächlich eine Relevanz hat, eine praktische Relevanz. Im Moment sehe ich nicht, dass ich diesen Zauberstab so sehr brauche, weil ich das Gefühl habe, dass ich niemanden mehr überzeugen muss, wenn ich mit der Industrie, mit Regierungen, mit Fördereinrichtungen usw. spreche.

Und jetzt, plötzlich, gewinnen Themen, an denen ich in den letzten 10, 15 Jahren gearbeitet habe, plötzlich an Bedeutung. Also, wenn Sie erlauben, würde ich mir diesen Zauberstab vielleicht für zukünftige Tage aufheben, wenn ich ihn wirklich brauche. Im Moment bin ich einfach nur froh, dass sich diese ganze Gemeinschaft in eine Richtung entwickelt, mit der ich wirklich zufrieden bin. Natürlich müssen wir aufpassen, dass wir nicht zu weit gehen. Und es gibt immer noch eine Menge Herausforderungen. Und ich meine, dass die Leute, die von einem Quantenfenster sprechen, zu hohe Erwartungen haben.

Aber im Moment bin ich wirklich zufrieden mit der Entwicklung der Community und dem, was da passiert. Und es macht wirklich Spaß, zu sehen, was da so alles entsteht. Wie gesagt, ich bin mir nicht sicher, ob ich das öffentlich sagen sollte, aber im Moment würde ich sagen, dass ich mit der bisherigen Entwicklung sehr zufrieden bin. Also, vielleicht sollten wir es so lassen.

Yuval: Ich bin dankbar, dass Verrückte wie Sie seit 10, 15 Jahren daran arbeiten, so dass wir heute da sind, wo wir wirklich sind, nämlich am Anfang einer erstaunlichen Revolution. Robert, es war großartig, heute mit Ihnen zu sprechen. Wo können die Leute mit Ihnen in Kontakt treten, um mehr über Ihre Arbeit zu erfahren?

Robert: Der einfachste Weg ist wahrscheinlich, meinen Namen zu googeln. Höchstwahrscheinlich werden Sie meine Webseite finden. Sie lautet www.rwille.de. Oder Sie können mir auch auf Twitter folgen, mein Twitter-Handle lautet @rbrtwll. Und ich freue mich auf jeden, der sich für diese Art von Themen interessiert.

Yuval: Das ist perfekt. Vielen Dank, dass Sie heute bei mir waren.

Robert: Vielen Dank, dass ich dabei sein durfte. Es hat Spaß gemacht.