Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), Freiburg

Quantencomputing
Die Performance von Quantencomputern nähert sich der Leistungsfähigkeit klassischer Hochleistungsrechner, ohne dass eine prinzipielle Limitierung in einer weiteren Steigerung der Anzahl an gekoppelten Quantenbits und damit der maximal erreichbaren Rechenleistung besteht.

Quantenprozessoren arbeiten intrinsisch hochparallel und dies ohne eine Hardware mit mehreren Prozessorkernen zu benötigen. Die Nutzung dieser intrinsischen Parallelität erfordert allerdings einen Umgang mit dem probabilistischen Charakter der Quantenphysik und das Kompilieren von Algorithmen in Quantengattern. Die zunehmende Verfügbarkeit von unterschiedlichen Qubit-Plattformen für die Entwicklung quantenbasierter Rechenstrategien eröffnet seit jüngster Zeit die Evaluation völlig neuartiger Lösungsansätze zur Simulation neuartiger Wirkstoffe und Materialien, zur Berechnung komplexer Optimierungsprobleme und zur Etablierung maschineller Lernverfahren.

Im Rahmen des Beitrags werden die Funktionsweise von Quantenbits und Quantengattern, der Stand der Technik sowie der Weg zu nationalen Quantencomputern vorgestellt und erklärt.

Zur Person
Prof. Dr. habil. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher erhielt 1989 sein Diplom und und 1993 seinen Doktor der Naturwissenschaften an der Ludwig-Maximilians- und der Technischen Universität München mit Auszeichnung. 1993 bekam er eine Stelle als wissenschaftlicher Assistent am Walter Schottky-Institut der Technischen Universität München. Dort beschäftigte er sich mit dem Wachstum von Galliumnitrid und seinen Legierungen mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie und der chemischen Gasphasenabscheidung. 1995 konzentrierte er die Forschungsarbeit seiner Gruppe auf die Entwicklung von GaN-basierten elektronischen und optischen Komponenten. Er war maßgeblich an der Implementierung der ersten UV-Detektoren, Oberflächenwellenkomponenten, Mikrowellenverstärker und Sensoren sowie an der Erforschung polarisationsinduzierter Effekte in GaN-basierten Hetero- und Quantenstrukturen beteiligt. 1998/99 wurde ihm von der Alexander von Humboldt-Stiftung ein Feodor Lynen-Stipendium gewährt, um seine Arbeit auf dem Gebiet der AlGaN/GaN-Transistoren für Hochfrequenz-Leistungsverstärker an der Cornell University (USA) zu vertiefen. Nach seiner Habilitation in experimenteller Physik im Jahr 2000 wurde er ein Jahr später zum Professor für Nanotechnologie an der Technischen Universität Ilmenau ernannt. 2002 wurde er zum Direktor des Instituts für Festkörperelektronik gewählt und zwei Jahre später zum Direktor des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien ernannt. Oliver Ambacher ist seit Oktober 2007 Professor an der Albert-Ludwig-Universität in Freiburg, wo er derzeit an der Entwicklung von Quantensensoren und elektronischen Bauteilen für Quantencomputer arbeitet.

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam

Impfstoffe aus Zucker
Die meisten Krankheitserreger, darunter Bakterien, Pilze, Viren und Parasiten, tragen einzigartige Zucker auf ihrer Oberfläche. Derzeit werden mehrere Glykokonjugat-Impfstoffe gegen Bakterien erfolgreich eingesetzt. Da viele Krankheitserreger nicht kultiviert werden können und die Isolierung reiner Oligosaccharide schwierig ist, sind synthetische Oligosaccharid-Antigene eine attraktive Alternative. In diesem Vortrag beschreibt er einen Ansatz zur Entwicklung halb- und vollsynthetischer Glykokonjugat-Impfstoffe gegen schwere bakterielle Infektionen, einschließlich resistenter Krankenhauskeime. Dieser Ansatz wird durch Oligosaccharide ermöglicht, die durch automatisierte Glycan-Assemblierung (AGA) hergestellt wurden.

Impfstoffkandidaten zum Schutz vor Clostridium difficile und Klebsiella pneumoniae werden derzeit klinisch getestet. Synthetische Oligosaccharide dienen als Basis für Werkzeuge wie Glykan-Mikroarrays und zur Herstellung monoklonaler Antikörper zur Krebsbehandlung.

Zur Person
Peter H. Seeberger (geb. 1966) studierte Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg und promovierte in Biochemie an der University of Colorado. Nach einem Postdocaufenthalt am Sloan-Kettering Institute for Cancer Research in New York City war er von 1998-2002 Assistant Professor und Firmenich Associate Professor (tenured) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA. Von 2003-2009 war er Professor an der ETH Zürich und 2008 Vorsteher des Laboratoriums für organische Chemie. Seit 2009 ist er Direktor des Departments für Biomolekulare Systeme am Max-Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und Professor an der Freien Universität Berlin. Seit 2011 ist er Honorarprofessor an der Universität Potsdam. Er ist Mitglied des Senats der Max-Planck Gesellschaft und des Stiftungsrates der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Seit 2021 ist er Vizepräsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Professor Seebergers Forschung wurde in über 620 Artikeln, fünf Büchern, mehr als 50 Patentfamilien publiziert und in über 900 Vorträgen präsentiert. Er ist einer der Editoren des Standardwerks „Essentials in Glycobiology“. Zu den mehr als 40 Preisen zählen der Körber Preis der Europäischen Wissenschaften (2007) und die Wahl zu einem der „100 wichtigsten Schweizer“. Er ist gewähltes Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften. Bisher wurden 66 seiner ehemaligen MitarbeiterInnen auf Professuren berufen.

Peter H. Seeberger setzt sich als Herausgeber der platinum open access Zeitschrift „Beilstein Journal for Organic Chemistry“ (kostenlos für AutorInnen und LeserInnen) besonders für neue, allgemein zugängliche Modelle des Publizierens ein. Als Mitgründer der Tesfa-Ilg “Hope for Africa” Foundation bemüht er sich um verbesserte Lebensbedingungen in Äthiopien.

Aus den Arbeiten im Seeberger-Labor sind mehrere erfolgreiche Firmen in Deutschland, den USA, der Schweiz und Dänemark hervorgegangen.

Helmholtz Zentrum, München

Vererbung erworbener Eigenschaften – was Darwin und Lamarck bereits ahnten
Die Erforschung und Charakterisierung krankheitsrelevanter Genvarianten hat in den letzten beiden Jahrzehnten unglaublich viel an Wissen und Daten generiert. Genetische Elemente können in mutierter Form erblich bedingte Krankheiten hervorrufen. Diese sind im Einzelfall selten, aber in der Summe häufig. Bei komplexen Erkrankungen, wie z.B. kardiometabolischen Erkrankungen, spielen viele Genvarianten gleichzeitig eine Rolle, wobei auch Umweltfaktoren maßgeblich an der Pathogenese beteiligt sein können.

Am Beispiel des Diabetes mellitus werden aktuelle Forschungsergebnisse präsentiert, die belegen, dass neben der klassischen Vererbung über DNA-Varianten auch die epigenetische Vererbung erworbener Eigenschaften bei der Entstehung der Erkrankung eine Rolle spielt. Dass dies keinen Widerspruch zu Darwins Evolutionstheorie darstellt, mag erstaunen und wird diskutiert.

Zur Person
Prof. Martin Hrabě de Angelis erforscht die Rolle der Genetik in Gesundheit und Krankheit mit dem Schwerpunkt der pathophysiologischen Aufklärung von Diabetes. Dabei nimmt die Entwicklung von Datenbanken und die Anwendung moderner Data Mining Methoden einen hohen Stellenwert ein.

Er studierte Biologie (Lehramt) in Marburg und promovierte 1994 über den Einfluss von Wachstumsfaktoren auf die frühe Embryonalentwicklung. Während seiner Zeit als Postdoc am Jackson Laboratory in Bar Harbor (USA) untersuchte er den Delta/Notch Signalweg und Modelle zur Somitogenese. Seit 2000 ist er Direktor des Instituts für Experimentelle Genetik am Helmholtz Zentrum München. 2003 wurde er auf den Lehrstuhl für Experimentelle Genetik an der TUM berufen. Zugleich ist er Direktor des europäischen Forschungskonsortiums „INFRAFRONTIER“.

2001 gründete er am Helmholtz Zentrum München die German Mouse Clinic (GMC) zur systemischen Analyse von Modellen für menschliche Erkrankungen. Hrabě de Angelis ist Autor von über 600 Forschungsartikeln, die >39.000 mal zitiert wurden. Er leitet Forschungsprojekte auf nationaler sowie internationaler Ebene und ist Gründer und Vorstand des Deutschen Zentrums für Diabetesforschung (DZD).

Am Mausmodell hat Hrabě de Angelis mit seinem Team nachgewiesen, dass durch Ernährung verursachte Fettleibigkeit und Diabetes sowohl über Eizellen als auch über Spermien epigenetisch an die Nachkommen vererbt werden können. Durch großangelegte genetische Untersuchungen gelang es ihm, ein Netzwerk aus Genen zu identifizieren, die eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Stoffwechselerkrankungen wie beispielsweise Diabetes spielen könnten.

2016 erhielt er die Ehrendoktorwürde (Dr. med. h.c.) der Eberhard-Karls-Universität Tübingen und 2018 die Ehrendoktorwürden (Dr. vet. med. h.c.) der Ludwig-Maximilians-Universität München und (Dr. med. h.c.) der Technischen Universität Dresden. Ebenso ist er seit 2018 Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina.

Hrabě de Angelis entwickelte in Gründerteams wissenschaftliche Ideen bis zur Innovation und ist erfolgreicher Mitgründer mehrerer Biotech-Firmen.

Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg

Das James-Webb-Weltraumteleskop
Am 25. Dezember 2021 ist nach mehr als 25-jähriger Entwicklungszeit das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) ins All gestartet. Mit einem 6,5 m-Hauptspiegel und leistungsfähigen Beobachtungsinstrumenten ausgestattet ist JWST das größte, leistungsfähigste und komplexeste Weltraumteleskop, das jemals gebaut wurde.
Aufgrund seiner enormen Empfindlichkeit und Winkelauflösung soll JWST bahnbrechende neue Erkenntnisse in vielen Bereichen der Astronomie und Astrophysik liefern. JWST wird deshalb oft als Nachfolger des erfolgreichen Hubble-Weltraumteleskops bezeichnet. Die Inbetriebnahme des JWST und seiner wissenschaftlichen Instrumente ist bisher reibungslos verlaufen, und am 12. Juli 2022 werden der Öffentlichkeit die ersten wissenschaftlichen Aufnahmen präsentiert werden.
Im Vortrag werden die wissenschaftliche Zielsetzung der Mission und die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse vorgestellt sowie die technologischen Herausforderungen beim Bau des Satelliten diskutiert.

Zur Person
Dr. Oliver Krause leitet am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg die Forschungsgruppe „Infrarot-Weltraumastronomie“ und war an der Entwicklung und dem Bau zweier JWST-Instrumente beteiligt.

Nobelpreisträger für Physik 2020
Max-Planck-Institut für extraterrestische Physik, Garching

Eine 40-jährige Reise
Vor etwas mehr als 100 Jahren veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Ein Jahr später löste Karl Schwarzschild die entsprechenden Gleichungen für eine nicht rotierende kompakte Masse. Ist diese Masse hinreichend groß und kompakt, kann sogar Licht nicht mehr entkommen, wenn es einen bestimmten Abstand zur Gravitationssingularität im Zentrum überschritten hat – den so genannten Ereignishorizont. Das theoretische Konzept eines ‚Schwarzen Lochs’ war geboren und wurde in späteren Dekaden von Penrose, Wheeler, Kerr, Hawking und anderen weiterentwickelt. Der erste Hinweis auf die Existenz solcher Schwarzen Löcher in unserem Universum wurde durch die Beobachtungen von Röntgen-Doppelsternen und leuchtenden Quasaren geliefert. Ich werde die 40-jährige Reise beschreiben, die meine Kollegen und ich unternommen haben, um mit lang andauernden und immer präziser werdenden Beobachtungen der Bewegungen von Gas und Sternen als Testobjekte für Raum und Zeit die Masse im Zentrum unserer Milchstraße nachzuweisen und ihre Kompaktheit zu bestimmen. Diese Studien belegen die Existenz eines kompakten Objektes mit einer Masse von 4 Millionen Sonnenmassen, die ohne Zweifel einem einzigen massereichen Schwarzen Loch zugeordnet werden kann.

Zur Person
Prof. Dr. Reinhard Genzel (geb. am 24.3.1952 in Bad Homburg) ist Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, Wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft und Professor an der Graduate School for Physics and Astronomy der University of California in Berkeley. Er ist einer der weltweit führenden Forscher auf dem Gebiet der Infrarot- und Submillimeter-Astronomie. Seine Forschungsschwerpunkte sind Experimentelle Astrophysik, Schwarze Löcher, Galaxienkerne, Galaxienentwicklung, Sternenentstehung und extragalaktische Astrophysik. 2020 erhielt er den Nobelpreis für Physik, gemeinsam mit der US-amerikanischen Astronomin Andrea Ghez, für die Entdeckung eines supermassereichen kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

Nobelpreisträger für Physik 2001
Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (USA)

Experimente am absoluten Temperatur-Nullpunkt
Warum kühlen Physiker Materie zu extrem niedrigen Temperaturen? Warum ist es wichtig, Temperaturen zu erreichen, die mehr als eine Milliarde mal kälter sind als der interstellare Raum? In diesem Vortrag werde ich beschreiben, mit welchen Methoden man Atome auf Nanokelvin-Temperaturen abkühlt, wie man solche Temperaturen misst, und wie man neue Formen der Materie realisiert und beobachtet.

Zur Person
Wolfgang Ketterle wurde am 21. Oktober 1957 in Heidelberg geboren. Nach dem Abitur absolvierte er ein Physikstudium zunächst an der Universität Heidelberg und später an der Technischen Universität München, das er 1982 als Diplomphysiker abschloss. Von 1982 bis 1986 hat er anschließend an der Ludwig-Maximilians-Universität und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik promoviert. Nach seiner Promotion beschäftigte er sich am Max-Planck-Institut für Quantenoptik vor allem mit der Laserspektroskopie. 1990 ging er – zunächst als Gastforscher – an das renommierte Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, wo er sich einem neuen Forschungsfeld, der Grundlagenforschung im Bereich der Tieftemperaturphysik, zuwandte. Seit 1998 hat er dort die John D. MacArthur Professur für Physik inne und ist seit 2006 stellvertretender Direktor des Research Laboratory of Electronics sowie Direktor des Center of Ultracold Atoms.

2001 erhielt Wolfgang Ketterle zusammen mit Eric A. Cornell und Carl E. Wieman den Nobelpreis für Physik für die Erzeugung der Bose‐Einstein‐Kondensation und für grundsätzliche Studien über die Eigenschaften der Kondensate. Wolfgang Ketterle war einer der ersten Forscher, denen ein Bose‐Einstein‐Kondensat gelang. Er entwickelte zudem die Grundlagen für den Atomlaser, der von ihm erstmals 1997 realisiert wurde. Er erhielt neben dem Nobelpreis für Physik viele weitere Auszeichnungen.