Die theoretischen Grundlagen der Quantenmechanik liegen etwa 100 Jahre zurück. In den 1980er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass die Quantenmechanik nicht nur eine genaue Beschreibung von Naturphänomenen bietet, sondern auch zu revolutionären technologischen Entwicklungen führen kann. Eine davon ist die Quanteninformatik. Durch die Nutzung intrinsischer Quantenphänomene wie Superposition (eine Eigenschaft, die es Quantensystemen ermöglicht, bis zur Messung so zu handeln, als befänden sie sich gleichzeitig in mehreren Zuständen) und Verschränkung (eine Eigenschaft, die den Austausch von Quanteninformationen zwischen zwei Teilchen über große Entfernungen hinweg ermöglicht) könnten Quantencomputer Berechnungen durchführen, die für herkömmliche Computer unmöglich sind. Dieser Vorteil ermöglicht die Entwicklung neuer Algorithmen, mit denen Probleme angegangen werden können, die sonst nicht lösbar wären.
Alle Projekte, an denen wir arbeiten, wenden Methoden und Werkzeuge der Quanteninformatik auf die Bereiche Umwelt, Ernährung, Verkehr, Energie und Medizin in Entwicklungsländern an.
Vincenzo Savona, Akademischer Direktor des Zentrums für Quantenwissenschaften und -technik (QSE) der EPFL
Das Quantencomputing steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt noch viele Herausforderungen zu bewältigen, bevor diese Technologien in großem Maßstab eingesetzt werden können. Einer der wichtigsten Forschungsbereiche zielt darauf ab, neue Quantenbauelemente zu entwerfen oder bereits vorhandene zu verbessern, um die Leistung und Größe von Quantencomputern zu optimieren. Wissenschaftler versuchen auch, Quantenfehler zu begrenzen und zu korrigieren, da sie verhindern, dass das System seine Quanteneigenschaften beibehält, wodurch die Funktionsweise von Quantencomputern gestört wird und sie kaum noch funktionieren. Ein weiteres Interessengebiet ist die Entwicklung von Quantenalgorithmen, die Probleme aus der "realen Welt" lösen können.
Forscherinnen und Forscher der EPFL führen einige Projekte zur Entwicklung von Quantencomputeranwendungen durch, die den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen entsprechen. "Alle Projekte, an denen wir arbeiten, wenden Methoden und Werkzeuge der Quanteninformatik auf die Bereiche Umwelt, Ernährung, Transport, Energie und Medizin in Entwicklungsländern an", erklärt Vincenzo Savona, außerordentlicher Professor am Laboratorium für theoretische Physik von Nanosystemen (LTPN) und akademischer Direktor des Zentrums für Quantenwissenschaften und -technik (QSE) der EPFL. Diese Fallbeispiele sind das Ergebnis einer gemeinsamen Anstrengung, die Universitäten, Privatunternehmen und politische Entscheidungsträger zusammenbringt.
Vielfältige Anwendungen
Obwohl wir uns noch in den Anfängen eines vollständigen Einsatzes von Quantensystemen befinden, könnten die Fähigkeiten des Quantencomputings in bestimmten Bereichen zahlreiche Vorteile bieten. Wie der Physiker Richard Feynman in den 1980er Jahren vorgeschlagen hat, könnte die Simulation quantenmechanischer Systeme eine der bedeutendsten Anwendungen sein. "Mit Quantencomputern könnten wir Atome, Moleküle und Materialien simulieren und eine genauere Beschreibung der Eigenschaften von Materie erhalten", erläutert Vincenzo Savona. "Beispielsweise könnte ein besseres Verständnis der elektronischen Struktur der Materie bei der Entwicklung neuer Moleküle mit Anwendungen in der Medizin und Biologie helfen".Quantencomputer könnten auch dabei helfen, einige komplexe Probleme zu optimieren, insbesondere in Bereichen, die mit Umwelt, Industrie, Logistik, Transport und Lieferketten zu tun haben. Sie könnten zum Beispiel dabei helfen, die beste Route für Lieferwagen zu finden und so den Treibstoffverbrauch und den Kohlenstoffausstoß zu senken. Diese Technologien könnten auch eine bessere Zuweisung von medizinischen Ressourcen im Gesundheitssystem ermöglichen oder zu einer effizienteren Energieverteilung in Stromnetzen beitragen. Ein weiteres praktisches Beispiel ist die Optimierung der Struktur von Materialien, die zu einer Verbesserung von Eigenschaften wie Festigkeit und Leitfähigkeit führt. "Das sind Probleme, die herkömmliche Computer in der Regel nicht effizient lösen können", sagt Vincenzo Savona.
Quantencomputer eröffnen auch vielversprechende Möglichkeiten, wenn sie mit anderen Technologien wie der KI kombiniert werden. Dank ihrer unübertroffenen Fähigkeit, komplexe Berechnungen zu bewältigen, können Quantensysteme die KI in die Lage versetzen, Probleme anzugehen, die derzeit außerhalb der Reichweite herkömmlicher Computer liegen. Sie können verwendet werden, um neuronale Netze effizienter zu trainieren, wodurch das schnell wachsende Gebiet des maschinellen Quantenlernens entsteht. Im Gegenzug werden die KI und insbesondere das maschinelle Lernen genutzt, um die Eigenschaften komplexer Quantensysteme zu simulieren. Die Verbindung zwischen Quanteninformatik und KI stellt das zukünftige Paradigma der fortgeschrittenen Informatik dar.
Erreichen konkreter Ziele für nachhaltige Entwicklung
"Die Ziele für nachhaltige Entwicklung umfassen zahlreiche Herausforderungen, die bereits im Mittelpunkt unserer Arbeit stehen, insbesondere in den Bereichen Gesundheit, Bildung, Innovation und Ökologische Nachhaltigkeit", erklärt Marcel Salathé, akademischer Co-Direktor des KI-Zentrums der EPFL. "Mit dem Fachwissen der EPFL unterstützen wir NGOs und internationale Organisationen direkt und helfen ihnen, ihre Ziele zu erreichen."Es ist erstaunlich, wie sehr die lokalen Regierungen diese Initiativen unterstützen, wenn sie sehen, dass wir eine Lösung einführen können, die ihre Lebensbedingungen verbessern kann.
Vincenzo Savona
Im Rahmen einer Partnerschaft zwischen dem QSE-Zentrum, dem Geneva Science and Diplomacy Anticipator (GESDA) und dem (OQI) untersuchen Wissenschaftler der EPFL, wie Quantentechnologien Probleme lösen könnten, die speziell die Entwicklungsländer betreffen und für die Ziele der nachhaltigen Entwicklung von großer Relevanz sind.
Devis Tuia, außerordentlicher Professor am Labor für Computational Science for Environment and Earth Observation der EPFL, setzt maschinelles Lernen ein und entwickelt Werkzeuge, um die Umwelt zu verstehen. Während Quantentechnologien bei der Lösung konkreter Probleme helfen können, betont er, dass die Beteiligung der lokalen Bevölkerung von grundlegender Bedeutung ist. "Wir müssen Technologien in Zusammenarbeit mit lokalen Wissenschaftlern mitentwickeln und ihnen die Möglichkeit geben, sich ihre Daten und Arbeitsabläufe anzueignen", stellt er fest. "Es ist erstaunlich, wie sehr die lokalen Regierungen diese Initiativen unterstützen, wenn sie sehen, dass wir eine Lösung einführen können, die ihre Lebensbedingungen verbessern kann", fügt Vincenzo Savona hinzu.
Eines der Projekte des Wissenschaftlers besteht darin, die autonome Produktion von Nahrungsmitteln in bestimmten Regionen Südafrikas zu erforschen und zu optimieren, um das Ziel für nachhaltige Entwicklung Nr. 2 "Null Hunger" zu erreichen. Dieser Anwendungsfall beinhaltet die Möglichkeit, Quantencomputer zu nutzen, um die Menge und Art der benötigten Pflanzen in einem großen Netzwerk mit vielen Produzenten und Produzentinnen, das von verschiedenen Behörden verwaltet wird, sehr genau zu berechnen. "Es handelt sich um ein großes Problem der Mehrzieloptimierung, das für herkömmliche Computer in der Regel rechnerisch schwierig ist. Wir hoffen, dass wir Quantencomputer nutzen können, um bei der Lösung dieser Probleme zu helfen", sagt Vincenzo Savona.
Es ist bereits von Vorteil, diese Fallbeispiele zu betreuen und das Bewusstsein dafür zu schärfen. "Wenn man zu dem Schluss kommt, dass Quantencomputer für dieses spezielle Problem nicht geeignet sind, ist das eigentlich ein wichtiges Ergebnis, denn wir haben dazu beigetragen, das Problem sowie seine Herausforderungen und Hindernisse zu erkennen", argumentiert Vincenzo Savona.
Einen Dialog für das Gemeinwohl einrichten
Die akademische Welt spielt eine wesentliche Rolle in der Grundlagenforschung im Bereich der Quanteninformatik. Aufgrund der erforderlichen massiven wirtschaftlichen Investitionen führen jedoch private Unternehmen wie Microsoft, Amazon, Google oder IBM einen großen Teil der Forschung und Entwicklung in diesem Bereich durch. "Es gibt auf beiden Seiten immer etwas zu lernen", sagt Vincenzo Savona. "Zum Beispiel stellen wir im akademischen Umfeld einige der Methoden und Werkzeuge, die von Unternehmen verwendet werden, in Frage.""Wege zu finden, um Synergien zwischen der akademischen Welt und privaten Institutionen zu nutzen, ist für eine nachhaltige technologische Entwicklung von entscheidender Bedeutung", fügt Philippe Caroff, Exekutivdirektor des QSE-Zentrums, hinzu. Philippe Caroff arbeitet auch mit dem Open Quantum Institute und der GESDA in Bereichen zusammen, die mit dem Bildungsauftrag der EPFL übereinstimmen und dazu beitragen, das Bewusstsein für die Quantenwissenschaft zu schärfen.
An der EPFL planen Forscherinnen und Forscher des QSE-Zentrums unter anderem die Entwicklung einer virtuellen Plattform, um die Quanteninformatik allen Forscherinnen und Forschern unabhängig von ihrem geografischen Standort zugänglich zu machen. Sie könnte für die Entwicklung und das Testen von Quantenalgorithmen von entscheidender Bedeutung sein und würde sowohl der Forschung als auch der Lehre an der EPFL zugute kommen. "Die wirtschaftliche Entwicklung ist dank unseres Technologietransfers und unserer Spin-offs möglich und kommt bereits der lokalen und globalen Industrie zugute", sagt Philippe Caroff.
Wege zu finden, um Synergien zwischen der akademischen Welt und privaten Einrichtungen zu nutzen, ist für eine nachhaltige technologische Entwicklung von entscheidender Bedeutung.
Philippe Caroff, Exekutivdirektor des QSE-Zentrums der EPFL
Parallel dazu ist die Bildung von entscheidender Bedeutung, um ein gutes Verständnis der aufkommenden Technologien zu gewährleisten. In diesem Sinne entwickelt die EPFL bei ihren Studentinnen und Studenten die Grundsätze des computergestützten Denkens. "Ich denke, wir sollten dasselbe mit der Quantenmechanik und der Quanteninformatik tun", schlägt Vincenzo Savona vor. In diesem Rahmen erhalten die Studierenden im Masterstudiengang Quantenwissenschaft und -technik an der EPFL nun einen Kurs über nachhaltige Entwicklung.
Um das Bewusstsein für die Bedeutung der Quantenwissenschaft und ihrer Anwendungen zu schärfen, hat die UNESCO das Jahr 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaften und -technologien erklärt. "Alle Fortschritte der Menschheit waren das Ergebnis einer kollektiven Anstrengung. Es ist ein intellektuelles Streben, das nur möglich ist, wenn die Technologie für möglichst viele Menschen zugänglich gemacht wird", schloss Vincenzo Savona.
