Mit dem Quantencomputer die großen Menschheitsprobleme lösen

Von: Rauke Xenia Bornefeld
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Bilder aus dem Forschungsprojekt von Professor Hendrik Bluhm: Derzeit benötigt die Erforschung von Quantum-Computerchips eine besonders kalte Umgebung. In sogenannten Helium-Mischkryostaten werden die Chips auf minus 273,14 Grad Celsius gekühlt. Im Bild ein Ausschnitt des Geräts. Foto: II. Physikalisches Institut, RWTH Aachen University
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Kühlgerät: Die Quantum-Computerchips (Proben) befinden sich im unteren Kupferzylinder des Helium-Mischkryostats und sind mit Hochfrequenzleitungen sowie Gleichstromleitungen verbunden. Foto: II. Physikalisches Institut, RWTH Aachen University
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Ganz schön klein: In der Mitte ist ein 1 x 1 Millimeter großer Quantum-Computerchip zu sehen, der auf einem herkömmlichen Siliziumchip angebracht ist. Dieser Versuchsaufbau wird im Kryostat heruntergekühlt, um so Experimente durchführen zu können. Foto: II. Physikalisches Institut, RWTH Aachen University
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Quantencomputer sind seine Vision: Professor Hendrik Bluhm ist Professor an der RWTH in Aachen (Lehrstuhl für Experimentalphysik und II. Physikalisches Institut). Foto: II. Physikalisches Institut, RWTH Aachen University
Quantencomputer
Professor Matthias Wessling ist Leiter des Lehrstuhls für Chemische Verfahrenstchnik der RWTH und arbeitet am DWI-Leibniz-Institut für Interaktive Materialien. Im Rahmen seines 2015 erhaltenen ERC Advanced Grant forscht er über das Verständnis und die Anwendung von synthetischen Membranen. Diese werde in unterschiedlichen Bereichen verwendet, etwa bei Wasserreinigung, der Nierenwäsche oder der Biogastrennung. Foto: Humboldt-Stiftung/Martin Steffen
Quantencomputer
Professor Leif Kobbelt (links) ist der Leiter des Lehrstuhls für Informatik 8 der RWTH und forscht auf dem Gebiet der Computergrafik und Geometrieverarbeitung. Er hat 2014 einen ERC Advanced Grant erhalten für die automatische Erforschung von 3-D-Modellen und die Aufarbeitungen derer für unterschiedliche Anwendungen unter anderem aus den Bereichen Architektur, 3-D-Druck und Computerspiele. Foto: Peter Winandy
Quantencomputer
Rafael Kramann arbeitet an der Medizinischen Klinik II (Nierenabteilung) der Uniklinik RWTH Aachen und erforscht den Zusammenhang zwischen Niereninsuffizienz und plötzlichem Herztod. Seinen ERC Starting Grant hat er 2015 für die Entwicklung und Erforschung einer Zellpopulation bekommen, die für Herzvernarbung (Herzfibrose) verantwortlich ist. Ziel seiner Forschung ist die Entwicklung einer Therapie, die diese Zellpopulationen stoppt und so dem plötzlichem Herztod vorbeugt. Foto: RWTH Aachen

Aachen/Jülich. Schon mal von Qubits gehört? Sie sind so etwas wie die große Leidenschaft von Professor Hendrik Bluhm. Seit 2011 forscht der Physiker in Aachen an und mit ihnen und hat mit seinen Ideen und Erkenntnissen bereits zwei große Auszeichnungen für den Lehrstuhl der Experimentalphysik der RWTH Aachen erhalten. Sein Ziel: einen Quantencomputer zu bauen, der große Probleme der Menschheit angehen kann.

2011 erhielt Bluhm den mit einer Million Euro dotierten Alfred-Krupp-Förderpreis für junge Hochschullehrer, im vergangenen Jahr einen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrates, der mit 1,5 Millionen Euro ausgestattet ist. Gerade ein ERC Grant ist nicht nur wichtig für die internationale Reputation von Universitäten, sondern gilt in Wissenschaftlerkreisen als so etwas wie ein Ritterschlag, der die persönliche Wissenschaftskarriere enorm beschleunigen kann.

Nicht richtig verstanden

Dinge tiefgehend verstehen – das war für Bluhm der Grund, Physik zu studieren. „In der Schule habe ich populärwissenschaftliche Literatur von Steven Hawking oder über Albert Einstein gelesen. Aber richtig verstanden habe ich die Welt dadurch nicht“, erinnert sich der 38-Jährige. An der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg startete der aus Konstanz stammende Bluhm mit dem Studium, wechselte noch vorm Diplom an die Elite-Uni Stanford in Kalifornien, wo er promoviert hat.

Danach arbeitete er an der ebenso renommierten Harvard University an der Ostküste der USA als Post-Doc. Gerade die Verbindung von mathematischer Beschreibung und Kreativität bei Problemlösungen habe ihn am Physikstudium gereizt. Auch in seinem jetzigen Alltag als Professor gehe es oft genau darum: mit anderen zusammen Ideen entwickeln für konkrete Problemstellungen, mit physikalischen Theorien Herausforderungen begegnen, die man durchaus existenziell nennen kann, in Experimenten dem bislang Unerklärten auf die Schliche kommen.

Womit wir wieder bei den Qubits wären. Der vollständige Name ist Quantenbits. Ebenso wie die bekannten Bits aus der Informationstechnologie können sie Informationen aufnehmen und weitergeben. Aber im Gegensatz zu Bits können Qubits, weil sie quantenmechanische Eigenschaften haben, mehrere Zustände gleichzeitig in Form sogenannter Zwischenzustände darstellen.

Bluhms Forschungsziel: Ein Quantencomputer, der große Probleme der Menschheit angehen kann. Er könnte zum Beispiel helfen zu verstehen, wie die Natur es schafft, den Klimakiller Kohlenstoffdioxid (CO2) zu binden. Oder auch, wie Stickstoff besser in Düngemittel gebunden werden kann. „Beides ist bislang schwer zu simulieren“, sagt Bluhm. Und doch relevant für die Existenz der Menschheit.

Im Grundlagenbereich

Es geht also um ganz konkrete Anwendungsperspektiven. Dennoch bewegt sich Bluhm mit seinen Forschungen im absoluten Grundlagenbereich. „Nach jetzigem Stand wird in 20 oder mehr Jahren ein Quantencomputer vielleicht im Forschungszentrum Jülich oder einer vergleichbaren Institution stehen können“, sagt der Experimentalphysiker.

Er weiß, dass er einen langen Forschungsatem braucht. Die Förderpreise helfen ihm dabei, denn noch steht die Industrie nicht Schlange, um Forschung an Qubits zu finanzieren. „So lassen sich auch risikoreiche Projekte leichter an einem Stück initiieren“, freut sich Bluhm über die industrieunabhängige Förderung. Erfolg ist nämlich nicht garantiert. Und sicher werden nicht alle für einen Quantencomputer nötigen Erkenntnisse allein aus seinem Arbeitsteam kommen.

Der Quantencomputer ist also auch für Bluhm und sein Team noch eine Vision, wenn auch mit klaren Konturen. „Man braucht einfach eine sehr große Zahl von Qubits“, erläutert der Professor. Auch die experimentelle Umgebung mit über 270 Grad minus, nahe dem absoluten Nullpunkt, ist nicht gerade alltäglich.

Aber auch in geringerer Anzahl können Qubits möglicherweise mehr als andere Informationsträger. Vor allem, wenn sie in einem Netzwerk miteinander reden könnten. Bislang funktioniert das aber nur sehr eingeschränkt. „Es gibt gute Qubits, aber keine Möglichkeit, diese zu koppeln. Andere Systeme sind leichter zu koppeln, aber als Qubits weniger vielversprechend.“ Bluhm will das durch Lichtimpulse – sprich Photonen – ändern. Für diese Idee gab es den ERC Grant, damit aus der Theorie irgendwann etwas Anwendungstaugliches wird.

Von der jetzt beginnenden Konstruktion der Experimentalapparatur über die Untersuchungen der Qubits-Eigenschaften und das Testen der Übertragung von Qubits durch Licht bis zur konkreten technischen Anwendung werden wohl noch einmal zehn bis 15 Jahre ins Land ziehen.

Aber möglicherweise lässt sich damit tatsächlich abhörsichere Kommunikation ermöglichen. „Die Quantenphysik garantiert eigentlich jegliche Abwehr von unbemerkter Abhörung. Aber noch bietet die Quantenverschlüsselung keine absolute Sicherheit. Das wollen wir ändern.“

Geht das in Aachen? Grundsätzlich zog es Bluhm vor sechs Jahren wieder nach Europa. „Ich vermisse es schon manchmal, mit dem Fahrrad durchs Silicon Valley zu fahren, vorbei an den Hightech-Riesen. Es deutete sich aber auch damals schon an, dass die Grundstimmung in den USA die Wahl von Trump ermöglichen würde.“ Und was dort nicht privat finanziert werde, werde eben oft gar nicht finanziert.

Passionierter Hochseesegler

Der deutschsprachige Raum, die Niederlande und Skandinavien ermöglichen seiner Ansicht nach die besten Forschungsmöglichkeiten in Europa. Also ging er hier auf die Suche nach einer Professur. Die enge Kooperation zwischen der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich – in der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) – bietet dem passionierten Hochseesegler für die Stadt ohne Fließgewässer im meerfernen Talkessel optimale Forschungsbedingungen. So ist er seit vergangenem Jahr zusätzlich einer der Direktoren des JARA-Instituts „Quan- tum Information“ und damit auch Institutsleiter am Forschungszentrum Jülich.

Eigentlich lebte Bluhm bisher nie ohne Wasser in der Nähe. Im heimischen Süddeutschland ging es so oft wie möglich mit der Familie raus auf den Bodensee. Noch als Schüler engagierte er sich während eines Auslandsaufenthalts am United World College im walisischen Cardiff als Klippenretter, in den USA lag das Meer quasi vor der Haustür. Jetzt heißt sein Segelrevier meistens Ostsee. Entsprechend selten tauscht er Rechner und Konferenztisch mit Steuerrad.

Aber sehnsüchtig schaut er nicht drein, wenn er übers Segeln spricht. Hat er doch zwei kleine Mädchen zu Hause, die ihn und seine Frau mit ihren anderthalb und dreieinhalb Jahren reichlich in Anspruch nehmen. Und er hat natürlich seine Qubits, die ihn noch viele Jahre beschäftigen und hoffentlich auch erfreuen werden.

Was sind denn ERC Grants?

Der Begriff ERC Grant hört sich eher sperrig an. Was steckt dahinter? Mit den Förderlinien Starting Grant, Consolidator Grant und Advanced Grant fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, um exzellente grundlagenorientierte Forschung und visionäre Projekte zu ermöglichen sowie neue interdisziplinäre Wissensgebiete zu erschließen. ERC Grants gelten seit Gründung des Europäischen Forschungsrates im Jahre 2007 als europäisches Benchmark für Spitzenforschung und zählen nunmehr zu den prestigeträchtigsten Förderinstrumenten in Europa.

„In kürzester Zeit haben sich die ERC Grants zu einer neuen Leitwährung in der Forschung etabliert und sind mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, dem wichtigsten deutschen Wissenschaftspreis, vergleichbar“, sagt der Rektor der RWTH Aachen University, Professor Ernst Schmachtenberg. Wie auch der Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis zeichnet der ERC Wissenschaftler aus, die auf ihrem jeweiligen Gebiet bereits richtungsweisende Ergebnisse erzielt und je nach Förderlinie auch signifikant zu dessen Weiterentwicklung beigetragen haben.

Bei der Förderung durch den ERC handelt es sich um eine Projektfinanzierung, mit deren Hilfe eine zukunftsweisende Forschung ermöglicht wird. Die einzelnen Wissenschaftler bewerben sich mit Projektanträgen in einem Auswahlprozess um einen ERC Grant. Die themenoffenen, in die Bereiche Physical Sciences & Engineering (PE), Life Sciences (LS) und Social Sciences and Humanities (SH) gegliederten Ausschreibungen erfolgen für jede Förderlinie einmal jährlich. Die Projekte haben eine Laufzeit von bis zu fünf Jahren und je nach Grant ein Fördervolumen zwischen 1,5 (Starting Grants) und 2,5 Millionen Euro (Advanced Grants). Hinzu kommen können in begründeten Fällen weitere Mittel für unter anderem Investitionskosten in Höhe von maximal 500 000 Euro für Starting Grants bis höchstens eine Million Euro für Advanced Grants.

ERC Starting Grants werden an herausragende Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaft- ler vergeben, deren Promotion zwei bis sieben Jahre zurückliegt, wobei eine Verlängerung des Zeitfensters unter anderem für promovierte Mediziner und Fachärzte möglich ist. Diese geförderten Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler stehen somit zwar noch am Anfang einer eigenständigen wissenschaftlichen Karriere in Europa, haben sich allerdings mit ersten zukunftsweisenden Erfolgen bereits (international) einen Namen gemacht und sollen die Möglichkeit erhalten, mit Hilfe eines ERC Grants ein eigenes Forschungsteam auf- beziehungsweise auszubauen.

ERC Consolidator Grants werden an exzellente junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, deren Promotion sieben bis zwölf Jahre zurückliegt (auch hier gelten die bereits genannten Ausnahmen unter anderem für Dr. med. und Facharztausbildungen), die international bereits sehr gut wahrgenommen sind und ihre Arbeitsgruppe voranbringen und (langfristig in Europa) etablieren möchten.

ERC Advanced Grants werden an erfahrene, international renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, die auf ihrem jeweiligen Gebiet (weltweit) zu den führenden Persönlichkeiten gehören. Sie richten sich an etablierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Fachbereiche, deren hochinnovative Forschung erheblich über den bisherigen Forschungsstand hinausgeht und neue Forschungsgebiete erschließt.

Große Bedeutung

Mit Hilfe der ERC Grants soll nicht nur langfristig die Wettbewerbsfähigkeit Europas gesichert, sondern auch die Attraktivität des europäischen Forschungsraums gesteigert werden. Elke Müller, Dezernentin für Forschung und Karriere an der RWTH Aachen University, hebt in diesem Zusammenhang hervor, dass die „ERC Grants auch für unsere Hochschule und den Wissenschaftsstandort Aachen von großer strategischer Bedeutung sind. Wir freuen uns daher sehr über die bisherigen Erfolge und insbesondere auch über die Einwerbung von insgesamt acht Grants im vergangenen Jahr.“

Im vorigen Jahr wurden drei Starting Grants (Professor Hendrik Bluhm, Dr. med. Rafael Kramann und Andreas Walther), ein Consolidator Grant (Professorin Barbara Terhal) sowie vier Advanced Grants (Professor Heinz Pitsch, Professor Hermann Ney, Professor Matthias Wessling sowie Professor Martin Möller) durch Aachener Wissenschaftler eingeworben. Walther, Wessling und Möller haben ihren Grant für das Leibniz-Institut für interaktive Materialien (DWI) eingeworben, Kramann für das Universitätsklinikum Aachen.

Darüber hinaus ist die RWTH Aachen University mit Professor Jörg Pretz an einem weiteren ERC Advanced Grant beteiligt. Dieser wird von Professor Hans Ströher am Forschungszentrum Jülich koordiniert. Seit Bestehen des ERC konnte der Wissenschaftsstandort Aachen bereits 27 Grants verbuchen.

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