Professorin Mariami Gachechiladze forscht am Quanteninternet, einem Netzwerk von Quantencomputern, das die Rechenleistung von herkömmlichen Supercomputern vor allem auf dem Gebiet der Quantenchemie bald übertreffen könnte. Die wissenschaftliche Leistung der Leiterin der Quantum Computing Group am Fachbereich Informatik wird hoch anerkannt: Ihr wurde der mit 50.000 Euro dotierte Dr. Hans Messer Stiftungspreis 2024 zuteil.

Rechnerisch schwierige Probleme effizient zu lösen, ist eine schon lange bestehende Herausforderung. Computer mit immer leistungsfähigeren Rechenkapazitäten beweisen das. Neuartige Quantencomputer nutzen die Quantenmechanik als Betriebssystem. Diese Systeme versprechen, das Lösen vieler Rechenaufgaben zu revolutionieren, die für Gesellschaft und Industrie sehr wichtig, aber selbst für die besten heutigen Supercomputer zu komplex sind. Dazu gehören beispielsweise die Simulation chemischer Bindungen, die Entdeckung neuer Medikamente oder das effiziente Bearbeiten einer besonderen Komplexitätsklasse mathematischer Entscheidungsprobleme.

Maßstäbe noch zu klein
Weltweit arbeiten Forschende aus der Physik, Mathematik, Informatik, Chemie und den Ingenieurwissenschaften an der Entwicklung der leistungsstärksten Quantencomputer. Keines dieser Geräte hat jedoch bisher die klassischen Computer in praktischen Anwendungen übertroffen. Zum Beispiel haben Quantencomputer theoretisch einen Vorteil beim Zerlegen großer Zahlen für die Verschlüsselung, aber in der Praxis wären Millionen von zusammenhängend kontrollierten physikalischen Qubits (die kleinstmögliche Informationsmenge) und deren Manipulation notwendig – ein Maßstab, der weit über das hinausgeht, was die heutige Quantencomputing-Technologie erreichen kann.

„Heiße Spur“: Quantenchemie
Dennoch zeigen neuerdings berühmte Proof-of-Concept-Experimente einen Quanten-Vorteil gegenüber den besten klassischen Supercomputern, allerdings nur für Aufgaben ohne praktische Anwendung. Dies wirft die Frage auf: Können die heutigen Quanten-Geräte klassische Supercomputer bei einer sinnvollen Aufgabe übertreffen? Zurzeit gilt die Quantenchemie in der Quantencomputing-Community als eines der vielversprechendsten Gebiete, in denen Quantencomputer klassische Computer in den kommenden Jahren übertreffen könnten.

Dazu müssen sowohl die Theorie der Quantenberechnung weiterentwickelt als auch die Quanten-Geräte verbessert werden. Eine Möglichkeit, einen skalierbaren und robusten Quantencomputer zu bauen, besteht darin, den Fokus von einem einzelnen Quanten-Gerät auf eine Sammlung von Quanten-Geräten zu verlagern, die durch ein Quanten-Netzwerk zusammenhängend interagieren – diese werden auch als Quanteninternet bezeichnet. Quanten-Netzwerke gelten als die perspektivreiche Ressource zur Skalierung der Quantenberechnung, wobei viele kleine, hochpräzise Quantencomputer miteinander verbunden werden, um einen Quanten-Vorteil zu erzielen. Trotz aller experimentellen Entwicklungen fehlt bislang der theoretische Hintergrund dazu, wie und bei welchen Aufgaben die verteilte Quantencomputing-Plattform genutzt werden kann.

Der Darmstädter Ansatz
Hier setzt die Forschung von Professorin Mariami Gachechiladze an: „Einerseits treiben wir Anwendungen der Quantenchemie mit Hilfe der Quantenberechnung voran, und andererseits erforschen wir Neuheiten und Einschränkungen, wenn die Quanteninformationsverarbeitung in einem Quanten-Netzwerk statt auf einem einzelnen Gerät durchgeführt wird“, erklärt Gachechiladze. Bisher wurden diese beiden Bereiche unabhängig voneinander betrachtet, da sie aufgrund ihrer Unterschiedlichkeit ganz verschiedene Fähigkeiten und Trainings erfordern, um ihre jeweiligen Herausforderungen zu meistern.

Professorin Dr. Mariami Gachechiladze, Quantum Computing Group am Fachbereich Informatik

Alle Fotos: Katrin Binner / Autorinnen: Mariami Gachechiladze und Bettina Bastian. Der Text erschien zuerst im November 2024.

Dr.-Ing. Philipp Rosendahl erforscht, wie Lawinen ins Rutschen geraten. Dafür erhielt er den Dr. Hans Messer Stiftungspreis 2023.

Die in der Wissenschaft geforderte Interdisziplinarität verkörpert kaum jemand besser als Philipp Rosendahl, Forschungsgruppenleiter am Institut für Statik und Konstruktion des Fachbereichs Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der TU Darmstadt. In seiner Doktorarbeit, die er 2020 abschloss, beschäftigte er sich mit Klebeverbindungen in Glasfassaden. Mit einem mathematischen Modell zu Rissen im Silikonkleber machte er die Tragfähigkeit von Fassadenelementen berechenbar. Als begeisterter Skitourgänger wandte er dasselbe Modell aber schon damals auf die Vorhersage von Schneebrettlawinen an – quasi als Freizeitbeschäftigung neben seiner Doktorarbeit. „Die mathematische Beschreibung ist die gleiche, für den Schnee sind nur andere Kennwerte nötig“, erklärt Rosendahl.

Nominiert für den Young Snow Professional Award
Schon eine einzelne Person kann die Schneemasse so belasten, dass eine tiefliegende Schneeschicht kollabiert und die Schneedecke abrutscht. Fachleute sprechen in diesem Fall von Antirissen. Sie verhalten sich nicht wie ein normaler Riss, sondern können sich in Sekundenschnelle großflächig über einen ganzen Hang ausbreiten und zu mächtigen Lawinen führen. Bereits als Hobby-Lawinenforscher erregte Rosendahl mit seinen Erkenntnissen so viel Aufsehen, dass er 2018 für den Young Snow Professional Award nominiert wurde.

Nach Abschluss seiner Doktorarbeit im Februar 2020 gründete er als Post-Doktorand das Center for Snow and Avalanche Research an der TU Darmstadt. Im damaligen TU-Professor Jens Schneider, passionierter Skifahrer und Leiter des Fachgebiets Statik, fand er den idealen Unterstützer. Rosendahl kooperiert zudem eng mit dem WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung im schweizerischen Davos. Im dortigen Kältelabor züchtet er Schnee für seine Experimente. Feldversuche finden ebenfalls in Davos statt. Mal schneidet Rosendahls Team dafür neun Meter lange Blöcke aus dem Schnee, mal werden Mini-Lawinen auf dem geneigten Dach eines Geräteschuppens simuliert.

Open-source-Software, die das Lawinenrisiko in Echtzeit beurteilt
Rosendahl veröffentlichte seine Forschungsergebnisse schon in mehr als 20 Fachartikeln und 30 wissenschaftlichen Tagungsbeiträgen sowie in Magazinen für Alpinsportler und Schulungen der NATO-Gebirgsjäger. Seine Open-source-Software, die das Lawinenrisiko in Echtzeit beurteilt, wurde bereits mehr als 13.000 Mal heruntergeladen und ist zudem am WSL-Institut in Davos im Einsatz. Und da Rosendahl nach wie vor über den Tellerrand blickt, hat er sein Modell im Auftrag eines Autobauers schon auf 3D-gedruckte Bauteile für E-Motoren angewandt: „Solche Leichtbaukomponenten bestehen wie Schnee aus verschiedenen Schichten mit vielen Poren und können bei Belastung versagen.“

Dr.-Ing. Philipp Rosendahl, Gruppenleiter am Center of Snow and Avanlanche Research, Institut für Statik und Konstruktion am Fachbereich Bau- und Unweltingeineurwissenschaften

Alle Fotos: Katrin Binner / Autorin: Uta Neubauer.
Der Text erschien zuerst im November 2023.

Die Chemikerin Dr. Kristina Zentel entwirft energieeffiziente Prozesse der Kunststoffherstellung, die in Wasser ablaufen. Dafür erhielt sie den Dr. Hans Messer Stiftungspreis 2023.

„Grün“ und „Chemie“ klingt für viele immer noch wie ein Gegensatzpaar. Kristina Zentel, Habilitandin am Ernst-Berl-Institut für technische und makromolekulare Chemie der TU Darmstadt, will das ändern. Sie entwirft nachhaltige Prozesse der Kunststoffherstellung, die bei Temperaturen von 20 bis 100 Grad Celsius in Wasser als grünem Lösungsmittel und unter insgesamt milderen Bedingungen ablaufen als etablierte Verfahren.

Nach dem Abitur 2010 in Mainz begann Zentel noch im selben Jahr mit dem Chemiestudium an der TU Darmstadt, das sie nach nur neun Semestern abschloss. Schon im Masterstudium begeisterte sie sich für Polymere, so der Fachausdruck für Kunststoffe, und deren Bildung. Ihr aktueller Fokus liegt auf einer Technik namens Emulsionspolymerisation. Das Verfahren gilt als nachhaltig, eignet sich aber bislang nur für bestimmte Kunststoffe. Zentel erweitert das Spektrum, indem sie ungewöhnliche Ausgangssubstanzen einsetzt. So will sie Alternativen zu industriellen Verfahren schaffen, die bislang Temperaturen um 300 Grad Celsius und Drücke bis 3000 bar erfordern. „Die Chemieindustrie ist energieintensiv, da ist noch Luft für Optimierung“, sagt sie.

Experimente und Computersimulationen
Ihre Doktorarbeit fertigte Zentel in der Arbeitsgruppe von TU-Professor Markus Busch an. Schon während dieser Zeit interessierte sie sich besonders für die Beziehung zwischen den Prozessparametern der Kunststoffherstellung und den daraus resultierenden Eigenschaften der hergestellten Materialien. Um diesen Zusammenhang zu entschlüsseln, verknüpft sie Experimente und Computersimulationen. „Nur so können wir die komplexen Prozesse der Polymerbildung verstehen“, erklärt sie. Modellrechnungen dienen ihr zudem als grünes Werkzeug, um die Zahl der Experimente und somit den Verbrauch an Chemikalien sowie Energie zu reduzieren.

Unverzichtbar ist für Zentel auch der 3D-Druck, den sie als Post-Doktorandin an der Universität Hamburg für sich entdeckte: „Er ist für uns das ideale Tool für das Design neuartiger Reaktoren.“ Selbst entworfene Reaktoren für Laborexperimente druckt ihr Team in einem Stück aus transparentem Kunststoff. Während ihrer Postdoc-Stelle in Hamburg von Oktober 2018 bis Mai 2021 übernahm Zentel zudem eine Vertretungsdozentur. So war sie schon in einem frühen Stadium ihrer Laufbahn in die Lehre eingebunden. An der TU bietet sie aktuell die von ihr konzipierte Vorlesung „Circular Economy und aktuelle Aspekte in der Polymerisationstechnik“ an.

Mehrfach ausgezeichnet
Auslandserfahrung sammelte Zentel bereits während ihrer Doktorarbeit. Von September bis Dezember 2017 beschäftigte sie sich an der University of Stellenbosch in Südafrika vor allem mit der Analytik von Polymeren. Zentel wurde bereits mehrfach ausgezeichnet, unter anderem für den besten Bachelor-Abschluss in Chemie und den besten Master-Abschluss in Technischer Chemie an der TU Darmstadt. Im Jahr 2022 erhielt sie den Nachwuchswissenschaftler*innen-Preis der Mainzer Akademie der Wissenschaften und der Literatur sowie im März 2023 den Professor-Siegfried-Peter-Preis der gleichnamigen Stiftung, der herausragende Leistungen in der Hochdruckverfahrenstechnik würdigt.

Dr. Kristina Zentel, Arbeitsgruppe Zentel am Fachbereich Chemie

Alle Fotos: Katrin Binner / Autorin: Uta Neubauer.
Der Text erschien zuerst im November 2023.