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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Erforschung kontrollierter Quantenzustände einzelner oder gekoppelter Systeme mit dem seit einigen Jahren laufenden Nachwuchsprogramm „Quantum Futur“. Zu den ersten ausgewählten Projekten der aktuellen Förderrunde, die im Januar 2025 gestartet sind, gehört „qHPC-GREEN“ von Nachwuchsgruppenleiter Dr. Werner Dobrautz. Der Experte für computergestützte Chemie will quantenmechanische Systeme modellieren, die biochemischen und physikalischen Phänomenen aus den Bereichen Umwelt und Energie zugrunde liegen. In dem Projekt, das bis Ende 2029 läuft, kombiniert er dafür Quanten- und Hochleistungsrechnen.
Ein Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf Katalysatoren. Diese erhöhen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, ohne selbst im Prozess verändert zu werden. Bei der Herstellung der meisten heutigen chemischen und biochemischen Produkte kommen Katalysatoren zum Einsatz. Trotzdem ist deren innovatives Potential immer noch enorm. Mit seiner neuen Nachwuchsgruppe „AI4Quantum“ will Werner Dobrautz unter anderem entschlüsseln, wie bestimmte Biokatalysatoren funktionieren. „Mit einem besseren Verständnis könnten wir versuchen, neue industrielle Katalysatoren zu entwickeln, die chemische Reaktionen ermöglichen können, die für nachhaltigere Produktionsprozesse benötigt werden“, sagt er.
In seinem Forschungsantrag „Quantengestütztes Hochleistungsrechnen für die grüne Energiewende“ (qHPC-GREEN), der im BMBF-Nachwuchsprogramm „Quantum Futur“ erfolgreich war, wählte Dobrautz einen relevanten Anwendungsfall: „Düngemittel auf Ammoniakbasis haben nach ihrer Einführung vor über 100 Jahren die landwirtschaftliche Produktivität auf ein völlig neues Niveau gehoben. Doch ihre industrielle Herstellung erfordert einen enormen Energieaufwand. Ein technisches Verfahren, das auf der biologischen Stickstofffixierung durch das Enzym Nitrogenase und seinen Eisen-Molybdän-Cofaktor beruht, ist eine vielversprechende Alternative.“ Diese biokatalytische Umwandlung von Wasserstoff und Stickstoff in Ammoniak ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Strategie des Teilens und Eroberns
Ein klassischer Problemlösungsansatz ist das Modellieren der Reaktionsprozesse. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass selbst die heutigen Supercomputer (HPC) nicht in der Lage sind, die Komplexität der quantenmechanischen Mechanismen zu bewältigen, die diesem Stickstofffixierungsweg zugrunde liegen. „Wir haben es hier mit einem sogenannten kleinen Quantensystem zu tun, das typischerweise durch einige Atome oder Moleküle repräsentiert wird. Konkret geht es hier um weniger als 100 Elektronen und Atomkerne“, erklärt Dobrautz. „Außerdem ist das Verhalten der Elektronen in diesem System aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung und quantenmechanischen Wechselwirkungen stark voneinander abhängig. Wir nennen dies ein Quantensystem mit starker elektronischer Korrelation. Leider erfassen die Standardnäherungen, die in der Quantenchemie zur Modellierung von Systemen verwendet werden, nicht die wahre Natur von Systemen mit starker elektronischer Korrelation.“
Da keine guten Näherungen oder andere Ausweichmöglichkeiten verfügbar sind, besteht die einzige Lösung darin, den Computer alles durchrechnen zu lassen. Da selbst klassische HPC nicht leistungsfähig genug sind, werden für das Projekt qHPC-GREEN Quantencomputer (QC) einbezogen. Der im Antrag vorgeschlagene hybride algorithmische Rahmen leitet Berechnungen für schwach korrelierte Bereiche des untersuchten quantenmechanischen Systems an HPC weiter – und Berechnungen für stark korrelierte Bereiche an QC. „Mein Ansatz kombiniert die Stärken sowohl der klassischen als auch der neuartigen Quantencomputer-Hardware. Zwar werden gerade durchaus viele hybride Systeme aufgebaut und getestet. Unser ‚Teile-und-erobere-Ansatz‘ ermöglicht aber wie kaum ein anderes System eine effiziente Nutzung der aktuell noch vielfach beschränkten Quantencomputer-Ressourcen“, erklärt Dobrautz.
Die HPC-Berechnungen für dieses Projekt werden sowohl intern auf der HPC-Infrastruktur des CASUS durchgeführt, die derzeit im neuen Rechenzentrum des HZDR installiert wird, als auch auf dem Supercomputing-Cluster „JEWELS“ am Forschungszentrum Jülich. Im Bereich des Quantencomputings profitiert Dobrautz‘ Projekt von der Zusammenarbeit mit IBM Research Zurich in der Schweiz, dem Wallenberg Centre for Quantum Technology in Schweden, dem finnischen Softwareunternehmen Algorithmiq und dem JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) des Jülich Supercomputing Centre. Da sich die meisten QC-Ressourcen noch in der Aufbauphase befinden und das Interesse an ihrer Nutzung riesig ist, weist Dobrautz auf die im Vergleich bescheidenen Qubits-Anforderungen seines Ansatzes hin, die eine Implementierung auf demnächst verfügbaren Geräten ermöglichen – ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal gegenüber ressourcenintensiveren Ansätzen, die ebenfalls das Verständnis stark korrelierter Quantensysteme verbessern wollen.
Erfolg für Sachsens KI-Strategie
CASUS-Direktor Prof. Thomas D. Kühne weist darauf hin, dass Wissenschaftstalente der Bereiche Künstliche Intelligenz (KI) und Quantencomputing, die den nächsten Karriereschritt planen, derzeit viele Möglichkeiten haben. Das gilt umso mehr, wenn sie wie Dobrautz auf selbst eingeworbene Gelder verweisen können: „Ich freue mich daher sehr, dass sich Werner Dobrautz entschieden hat, bei uns seine erste eigene Forschungsgruppe aufzubauen. Das CASUS, das HZDR und die sächsische Forschungslandschaft beweisen damit einmal mehr, dass sie mit ihren Konzepten und Rahmenbedingungen im aktuellen Wettbewerb um die talentiertesten Köpfe ganz vorne mit dabei sind.“
Die ihm bewilligten 1,8 Millionen Euro wird Dobrautz für die Einstellung von wissenschaftlichem Personal und für Dienstreisen verwenden. Die dritte Runde des Nachwuchsprogramms „Quantum Futur“ läuft von 2023 bis 2026. Zusammen mit qHPC-GREEN starteten im Januar 2025 Projekte an der Universität Hamburg (IonLinQ, 4,8 Millionen Euro) und an der Universität Augsburg (HoliQC2, 1,3 Millionen Euro). Weitere Projekte werden voraussichtlich im Laufe des Jahres bekannt gegeben. Bei den ersten beiden Wettbewerben 2017 und 2021 wurden bereits zweimal zehn Nachwuchsgruppen gefördert und eingerichtet, wobei die Mehrzahl der ausgewählten Gruppenleiter*innen inzwischen bereits auf Professuren berufen wurde.
Weitere Informationen:
Dr. Werner Dobrautz | BMBF-Nachwuchsgruppenleiter
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
E-Mail: w.dobrautz@hzdr.de
Pressekontakt:
Dr. Martin Laqua | Referent Kommunikation, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Center of Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
Tel.: +49 1512 807 6932 | E-Mail: m.laqua@hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sechs Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter*innen – davon etwa 680 Wissenschaftler*innen inklusive 200 Doktorand*innen.
Über das Center for Advanced Systems Understanding
CASUS wurde 2019 in Görlitz/Deutschland gegründet und betreibt datenintensive interdisziplinäre Systemforschung in so unterschiedlichen Disziplinen wie Erdsystemforschung, Systembiologie oder Materialforschung. Ziel von CASUS ist es, mit innovativen Methoden aus der Mathematik, der theoretischen Systemforschung, der Simulation sowie der Daten- und Informatik digitale Bilder komplexer Systeme von bisher unerreichter Wirklichkeitstreue zu erzeugen, um Antworten auf drängende gesellschaftliche Fragen zu geben. Die Gründungspartner von CASUS sind das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (UFZ), das Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden (MPI-CBG), die Technische Universität Dresden (TUD) und die Universität Wrocław (UWr). CASUS, das als Institut des HZDR geführt wird, wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) gefördert. www.casus.science
Dr. Werner Dobrautz | BMBF-Nachwuchsgruppenleiter
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
E-Mail: w.dobrautz@hzdr.de
https://www.hzdr.de/presse/quantum-futur
Nachwuchswettbewerb Quantum Futur des BMBF
BMBF
BMBF
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Energy, Information technology, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects
German
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