Der Physiker: Erst Harvard, dann Innsbruck und 1,5 Millionen Euro - Chronik

Die Pressemitteilung der Universität Innsbruck sorgte vor wenigen Tagen für Aufsehen: Der Theoretiker Hannes Pichler, vor 2 Jahren aus den USA an die Universität Innsbruck und das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaft in Innsbruck berufen, erhält die prestigeträchtige Förderung des Europäischen Forschungsrats, den Starting Grant über 1,5 Millionen Euro. STOL: Professor Pichler, Gratulation zu diesem außergewöhnlichen Erfolg. 1,5 Millionen Euro Fördergeld haben Sie bekommen: Was bedeutet das für Sie? Prof. Hannes Pichler: Das ist einerseits eine Anerkennung für meine bisherige Arbeit, andererseits auch ein Ansporn für die Zukunft. So ein Förderpreis bedeutet einen großen finanziellen Anschub für meine Forschung. Mit dem Geld kann ich meine Forschungsgruppe an der Universität Innsbruck und an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ausbauen. Da ich als theoretischer Physiker keine Labors finanzieren muss, werde ich die Forschungsförderung hauptsächlich dafür verwenden, Doktoranden und andere Wissenschaftler einzustellen, mit denen ich mein Forschungsvorhaben in den nächsten Jahren umsetzen kann. STOL: Solche Prämien sind begehrt: Wie haben Sie diese erhalten? Prof. Pichler: Der Europäische Forschungsrat ruft jedes Jahr die europäischen Wissenschaftler dazu auf, Forschungsideen vorzuschlagen: Etwas weniger als 10 Prozent der eingereichten Projekte werden finanziert. Um sich an diesem Wettbewerb zu beteiligen, braucht man, neben der Unterstützung durch eine Forschungsinstitution, ein detailliertes Projekt, das ein Forschungsvorhaben für einen Zeitraum von 5 Jahren beschreibt: eine Darstellung der wissenschaftlichen Fragestellungen, die im Projekt geklärt werden sollen, aber auch detaillierte Budgetpläne. In einer ersten Begutachtungsrunde werden alle eingereichten Projekte von verschiedenen Experten bewertet, und die besten werden in eine zweite aufgenommen. In dieser zweiten Runde dürfen die Wissenschaftler ihr Projekt persönlich einer Expertenkommission vorstellen. Diese entscheidet schlussendlich, welche Vorhaben finanziert werden. Der gesamte Begutachtungs- und Entscheidungsprozess dauert ungefähr 9 Monate. STOL: Ihre erste Reaktion? Prof. Pichler: Für mich war es sehr befreiend. Ich hatte nicht unbedingt damit gerechnet, dass das Projekt durchgeht. Die gute Nachricht habe ich kurz vor Weihnachten bekommen, wodurch dann natürlich die Feiertage etwas angenehmer waren. STOL: Sie arbeiten an der theoretischen Beschreibung von Systemen, die für die Entwicklung eines Quantencomputers gebraucht werden: Wie erklären Sie das einem Laien? Prof. Pichler: Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze auf mikroskopischer Ebene. Also, wie sich die Welt verhält, wenn man ganz genau hinsieht. Die Quantenphysik wird oft als mysteriös empfunden, weil sich die Welt bei genauer Betrachtung nicht so verhält, wie wir es von unserer täglichen Wahrnehmung gewohnt sind. Unsere Erfahrungen, die unsere Intuition, unseren &bdquo;gesunden Menschenverstand“ formen, sind deshalb für das Verständnis der Quantenphysik nicht immer hilfreich. Ein Beispiel: Wir sind es gewohnt, den genauen Ort jedes Objekts zu kennen. Wenn wir einen Apfel sehen, dann glauben wir zu wissen, dass sich der Apfel genau dort befindet, wo wir ihn sehen. In Wirklichkeit ist das aber nur bei oberflächlicher Betrachtung so. Wenn man wirklich genau hinsieht, merkt man, dass Objekte keinen bestimmten Ort haben, sondern in gewisser Weise an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Wir versuchen, diese quantenmechanischen Effekte in der Natur auszunützen – etwa um Computer zu bauen, die Probleme lösen können, die ein klassischer Computer nicht lösen kann: Quantencomputer. Dazu verwenden wir einzelne Atome, die wir mit Laserlicht fangen und manipulieren. STOL: Ferne Zukunftsmusik? Oder werden wir bald selbst zu Hause einen Quantencomputer haben? Prof. Pichler: Es gibt schon seit längerem verschiedenste Prototypen für Quantencomputer, von denen einige hier in Innsbruck entwickelt wurden. Zurzeit wird weltweit mit unterschiedlichen Ansätzen daran gearbeitet, Quantencomputer größer und robuster zu machen. Auf welcher Zeitskala solche Forschungsprojekte zu einem kommerziellen Produkt führen, ist immer schwer abzusehen. Quantencomputer in unseren Wohnzimmern wird es in naher Zukunft wohl noch nicht geben. Mittlerweile investieren aber auch finanzstarke Unternehmen in diesen Bereich: Neben der rein akademischen wird auch die industriell orientierte Forschung immer wichtiger. STOL: Wozu könnte man einen Quantencomputer brauchen? Prof. Pichler: Quantencomputer können sehr spezielle mathematische Probleme schnell lösen. Das ist interessanter, als es vielleicht klingt. Diese Fragen tauchen in vielen Bereichen auf, in denen man sie auf den ersten Blick nicht vermutet. Zum Beispiel bei der Kommunikation im Internet: Quantentechnologie kann man dazu verwenden, um Daten sicher zu verschlüsseln. Quantencomputer können auch in der Materialentwicklung eingesetzt werden, um Eigenschaften von Materialien besser zu verstehen. Es gibt außerdem Ansätze, Quantenmaschinen zu nutzen, um große Mengen von Daten zu untersuchen: Es ist zum Beispiel schwierig, große Gruppen von Freunden in sozialen Netzen zu finden. Quantencomputer könnten dazu eingesetzt werden. In unserer Informationsgesellschaft tauchen solche Fragen in vielen Formen auf. STOL: Dass Ihr Projekt gefördert wird, spricht auch dafür, dass große Hoffnungen in diese Art von Technologie gesetzt werden. Prof. Pichler: Ja, die Quantentechnologie ist in den vergangenen Jahren von verschiedensten Forschungsförderern, insbesondere auf europäischer Ebene, als eine zukunftsweisende identifiziert worden. STOL: Was hat Sie dazu gebracht, Amerika und Harvard den Rücken zu kehren und zurück nach Tirol zu kommen? Prof. Pichler: Innsbruck hat auf dem Gebiet der Quantenphysik seit Jahrzehnten exzellente Forschung betrieben und Pionierarbeit geleistet. Das Forschungsumfeld hier ist für mich Weltklasse. In Harvard habe ich natürlich auch mit sehr guten Leuten zusammengearbeitet, zu denen ich auch heute noch sehr enge Kontakte pflege. Aber man hat mir hier in Innsbruck die Chance gegeben, mich mit dem Aufbau einer eigenen Forschungsgruppe zu etablieren. Das war in Kombination mit dem Arbeitsumfeld ausschlaggebend für mich. STOL: Was sind Ihre nächsten Schritte? Prof. Pichler: Ich werde jetzt eine Gruppe von Wissenschaftlern aufbauen, die mit mir an dem vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekt arbeiten. Das wird hoffentlich zu vielen interessanten neuen Ideen und Publikationen führen. STOL: In Südtirol bemüht man sich sehr, den Nachwuchs für technische und mathematische Fächer zu begeistern. Was würden Sie raten? Prof. Pichler: Ich finde es sehr gut, wenn interessierten jungen Menschen die Möglichkeit geboten wird, diese Welten zu entdecken. Insbesondere die Physik ist ein anspruchsvolles, aber auch sehr spannendes und lohnendes Gebiet. Ich schätze mich sehr glücklich, dass ich in meiner Schulzeit in Südtirol sehr engagierte Lehrer hatte, die mein mathematisches Interesse gefördert haben. Zur Person Hannes Pichler, geboren 1986 in Brixen, hat an der Universität Innsbruck Physik studiert und in der Arbeitsgruppe von Peter Zoller promoviert. Von 2016 bis 2019 war er an der Harvard University als ITAMP Postdoctoral Fellow und von 2019 bis 2020 am California Institute of Technology als Gordon und Betty Moore Postdoctoral Fellow tätig. Pichler ist seit April 2020 Professor für Theoretische Physik mit dem Schwerpunkt Quantenoptik an der Universität Innsbruck und Arbeitsgruppenleiter am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck. Zum geförderten Projekt In den vergangenen Jahren hat ein vielversprechender Ansatz für den Bau von Quantensimulatoren und Quantencomputern mit neutralen Atomen für Aufsehen gesorgt: Mit Hilfe von optischen Pinzetten werden dabei Atome individuell gefangen und nach Belieben in verschiedensten Strukturen angeordnet. Diese Atome können dann durch Laser manipuliert und in hochangeregte Zustände – sogenannte Rydbergzustände – versetzt werden. Solche Rydberg-Atome sind mehrere tausend Mal größer als normale Atome und können über ihr locker gebundenes Elektron über große Entfernungen mit anderen Rydberg-Atomen wechselwirken. &bdquo;Diese Atome können sehr gut und in großer Anzahl kontrolliert werden und eröffnen daher neue Möglichkeiten für die Realisierung eines Quantencomputers,“ sagt Hannes Pichler. Sein Forschungsinteresse gilt der theoretischen Beschreibung dieser Systeme. In dem ERC-Projekt will Pichler im Detail untersuchen, wie sich die speziellen Eigenschaften von Rydberg-Atomen für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung nutzen lassen. Beispielsweise will er ein Quanten-Vielteilchenphänomen, das kürzlich in diesen Systemen entdeckt wurde, als Werkzeug zur Erzeugung hochverschränkter Zustände nutzen. &bdquo;Ein weiteres Ziel ist die Erforschung und Entwicklung neuartiger Ansätze für die Implementierung von Quantenalgorithmen für Optimierungsprobleme mit Rydberg-Atomen“, ergänzt der Physiker. Seine Forschungsgruppe arbeitet dabei mit führenden experimentellen Labors in der ganzen Welt zusammen, die seine Konzepte und Anregungen in ihren Experimenten anwenden.