Künstliche Intelligenz erklärbar machen

Der Quantenphysiker Hans J. Briegel ist Wittgenstein-Preisträger 2023. Er zählt zu den Pionieren der Grundlagenforschung im Bereich der Quanteninformatik und -technologie. Seine Erkenntnisse spielen eine Schlüsselrolle in drei zentralen Bereichen: Die Entdeckung der messungsbasierten Quanteninformation, die Erfindung des Quantenrepeaters, der das Quanteninternet möglich macht, und seine Entwicklung des Quantenverstärkungslernens, das das schnell wachsende Gebiet der künstlichen Quantenintelligenz prägt, lautet die Begründung der Jury. Mit dem Preisgeld in Höhe von 1,5 Millionen Euro will Briegel seine Forschung an der Weltspitze weiter ausbauen. Der Preis wird jährlich vom Wissenschaftsfonds FWF vergeben.

"Wiener Zeitung":In 16 Jahren Wissenschaftsjournalistin bei der "Wiener Zeitung" ist es mir nicht zuletzt aufgrund der Abstraktheit der Materie nicht gelungen, die Quantenphysik zu verstehen. Können Sie von sich behaupten, den Durchblick zu haben?

Hans J. Briegel: Aus meiner Sicht ist ein erfahrener Umgang der Theorie in der Anwendung ein Zeichen davon, dass wir die Quantentheorie verstanden haben. Das heißt nicht, dass wir nicht noch allerlei Phänomene und Überraschungen mit ihr entdecken können.

Wann ist bei Ihnen das Interesse für die Thematik erwacht?

Das hat schon fast zu Schulzeiten begonnen, als ich erstmals mit der Relativitätstheorie und der Quantenphysik in Berührung kam. Ich fand es fantastisch, dass man mithilfe mathematischer Gleichungen und Modelle verstehen kann, was die Welt im Großen wie im Kleinen zusammenhält.

Sie widmen sich gerne philosophischen Fragestellungen. Was hat Quantenphysik mit Philosophie zu tun?

Viele Fragen in der Philosophie drehen sich darum, welchen Platz wir in der physikalischen Welt haben. Wir selbst sind ja auch physikalische Systeme und sind in die Welt eingebettet. In der Quantentheorie taucht nun der "Beobachter" erstmals explizit in Formulierung einer physikalischen Theorie auf. Das ist ein guter Ausgangspunkt für philosophische Fragen.

Thema Anwendung: Haben Quantenphysik und Alltag etwas miteinander zu tun?

Ich denke auf jeden Fall. Elektronik, Smartphone, Laser - es lassen sich viele Beispiele nennen, in denen Quantenphysik drinnen steckt. Wir verwenden sie im Alltag und denken gar nicht mehr darüber nach. Eine Technologie der Zukunft werden Quantencomputer sein. Bei klassischen Computern, wie wir sie kennen, steckt die Quantenphysik bereits in der Konstruktion der Bauteile. Zukunftstechnologien werden jedoch andere Operationsweisen haben mit einem Wechselspiel von Materie auf einem atomaren Level. Mit solchen Quantencomputern lassen sich gewisse Probleme viel schneller lösen.

Rechenaufgaben werden also schneller gelöst. Geht es hauptsächlich um Geschwindigkeit?

In den Anwendungen sind die Menschen hauptsächlich an Effizienzsteigerungen interessiert. Das betrifft auch den Bereich des maschinellen Lernens. Der Umgang mit riesigen Datenmengen erfordert große Rechenleistungen und hat daher auch Grenzen. Hier bietet die Quantenmechanik neue Perspektiven, dass man die maschinellen Lernalgorithmen möglicherweise beschleunigen oder neue und effizientere Quantenalgorithmen finden kann. Doch in der Grundlagenforschung geht es immer um das Verstehen. Welche Eigenschaften der Quantenmechanik sind es genau, die für die Effizienzsteigerung notwendig sind? Welche Anwendungen von Quantencomputern gibt es noch?

Sie sind einer der Erfinder des Einweg-Quantencomputers. Was ist das?

Beim Einweg-Quantencomputer dient die Verschränkung als zentrale Ressource - als Treibstoff. In diesem Modell besteht die Quantenrechnung nämlich in einer Abfolge von Messungen an einzelnen Teilchen. Jede Messung trägt die Rechnung ein Stück weiter, braucht allerdings einen Teil der Verschränkung auf. Wenn die Rechnung fertig ist, ist der Treibstoff aufgebraucht.

Wie steht es um die Quantenkommunikation?

Dort spielt Verschränkung eine ebenso wichtige Rolle. Möchte man eine Quantenkommunikation zum Beispiel zwischen Innsbruck und Wien herstellen, benötigt man zunächst verschränkte Zustände zwischen beiden Orten. Man erzeugt ein Photonenpaar und schickt ein Photon nach Wien. Das Problem dabei ist, dass einem solchen Photon auf dem Weg so allerlei passieren kann. Auf seiner Reise durch die Atmosphäre oder auch eine Glasfaser kann es zu Störungen kommen. Durch solches Rauschen löst sich die Verschränkung zwischen den Lichtteilchen. Deshalb muss man sogenannte Quantenrepeater einbauen, die einem erlauben, über Zwischenstationen Verschränkungen immer weiter zu verteilen. Bei der herkömmlichen Kommunikation gibt es Repeater, die das Signal verstärken. Auf der Quantenebene sind andere Überlegungen notwendig.

Welcher Fragestellung wollen Sie sich mit dem Preisgeld widmen?

Spannend wäre die Frage, wie wir maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz (KI) in Zukunft in der Grundlagenforschung anwenden können. Oder wie Grundlagenforschung unter dem Einfluss von KI überhaupt aussehen wird. Ich denke nämlich, dass das Aufkommen von Methoden der KI nicht nur unseren Alltag beeinflusst, sondern auch die Forschung selbst. Das passiert bereits, indem man Systeme hat, die uns erlauben, bestimmte Lösungen viel schneller zu finden. Wichtig wäre eine KI, die uns nicht nur optimale Lösungen für eine Fragestellung liefert, sondern die uns auch sagt, wie sie dazu gekommen ist - uns also den Lösungsweg sehen lässt. Viele der heutigen Technologien sind intransparent - quasi Blackbox-Systeme. Doch der Lösungsweg ist oft interessanter als die Antwort selbst. In der Wissenschaft geht es um Erklärung. Wir wollen die Zusammenhänge verstehen. Die Erklärbarkeit von KI ist auch notwendig, um Vertrauen aufzubauen. Falls einmal etwas schiefgeht, kann man die Ursachen dafür leichter auffinden und die Fehler korrigieren.

Das war jetzt ein historisches Event. Denn Sie sind der letzte Wittgenstein-Preisträger, dessen Worte in der "Wiener Zeitung" gedruckt erscheinen werden. Es ist mir eine Freude, dass ich das führen durfte.

Das ehrt mich, aber es macht mich auch traurig, dass es jetzt so gekommen ist mit der "Wiener Zeitung". Das möchte ich Ihnen mit auf den Weg geben.

Hans J. Briegel ist als Quantenphysiker Professor und Leiter der Forschungsgruppe "Quantum Information and Computation" am Institut für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck.

Die START-Preisträger

Acht exzellente Forscherinnen und Forscher wurden am Donnerstagabend mit dem "START-Preis" des Wissenschaftsfonds FWF ausgezeichnet. Es ist mit einer Fördersumme von je bis zu 1,2 Mio. Euro die höchstdotierte Förderung für Jungwissenschafter in Österreich.

Die Preise gehen an:

Barbara Bayer vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien will verstehen, wie Mikroorganismen im Wasser das Klima beeinflussen.

Stephanie J. Ellis von den Max Perutz Labs der Universität Wien will erforschen, wie Hautzellen miteinander interagieren.

Máté Gerencsér von Institute of Analysis and Scientific Computing der Technischen Universität Wien will den Sinn im mathematischen Rauschen finden.

Richard Küng vom Institute for Integrated Circuits der Uni Linz will die Brücke zwischen Quantenreich und Alltagswelt schlagen.

Stephan Pühringer vom Institut für die Gesamtanalyse der Wirtschaft der Universität Linz will die Wirtschaft in eine nachhaltige Zukunft führen.

Clemens Sämann von der Fakultät für Mathematik der Universität Wien will Einsteins Geometrie neu denken.

Marcus Sperling von der Fakultät für Physik der Universität Wien will die Grenzen der Quantentheorien verschieben.

J. Lukas Thürmer vom Institut für Psychologie der Universität Salzburg will die Gruppendynamik endlich genau verstehen.