Deutschland steht nicht nur für reiche Kultur und atemberaubende Landschaften, sondern auch für wegweisende wissenschaftliche Errungenschaften, die globalen Herausforderungen begegnen. Wer Deutschland wirklich entdecken möchte, kommt an seiner Rolle als Innovationsmotor nicht vorbei. Ein Paradebeispiel hierfür ist die Forschung an neuen Katalysatoren für mehr Nachhaltigkeit, die im Rahmen des “Quantum Future”-Programms des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Diese Initiative zeigt, wie deutsche Expertise an vorderster Front dabei hilft, unsere Welt grüner und effizienter zu gestalten.
Die Forschungsgruppe “AI4Quantum” unter der Leitung von Dr. Werner Dobrautz am Center for Advanced Systems Understanding (CASUS), einem Institut des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ist eine dieser treibenden Kräfte. Sie widmet sich der Modellierung quantenmechanischer Systeme, die für biochemische und physikalische Phänomene relevant sind, um Umwelt- und Energieprobleme zu lösen. Diese Art der spezialisierten Software-Technologie ist entscheidend, um die komplexen Prozesse hinter nachhaltigen Innovationen zu entschlüsseln und Deutschland als Forschungsstandort zu stärken.
Katalysatoren: Schlüssel zur grünen Transformation
Katalysatoren sind unverzichtbar für eine nachhaltigere Produktion. Sie beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden, und sind die Grundlage für eine Vielzahl chemischer und biochemischer Produkte. Dr. Dobrautz und sein Team konzentrieren sich auf Biokatalysatoren – molekulare Strukturen, die natürlicherweise in lebenden Organismen vorkommen. Ihr Ziel ist es, deren Funktionsweise zu verstehen, um darauf aufbauend neue industrielle Katalysatoren zu entwickeln, die chemische Reaktionen für umweltfreundlichere Produktionsprozesse ermöglichen.
Ein konkreter Anwendungsfall, den das Projekt “Quantum-enhanced high-performance computing for the green energy transition” (qHPC-GREEN) aufgreift, ist die Ammoniakproduktion. Ammoniumbasierte Düngemittel haben die landwirtschaftliche Produktivität revolutioniert, doch ihre industrielle Herstellung ist extrem energieintensiv. Eine vielversprechende Alternative ist die biologische Stickstofffixierung durch das Enzym Nitrogenase und seinen Eisen-Molybdän-Kofaktor. Obwohl dieser biokatalytische Umwandlungsprozess von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammonium noch nicht vollständig verstanden ist, birgt er enormes Potenzial für die Energiewende.
Die Herausforderung: Quantensysteme mit starker elektronischer Korrelation
Die Modellierung dieser komplexen Reaktionen ist eine immense Herausforderung. Selbst die leistungsfähigsten Supercomputer (HPC) stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die quantenmechanischen Mechanismen der Stickstofffixierung zu entschlüsseln. Dr. Dobrautz erklärt, dass es sich um “kleine Quantensysteme mit weniger als 100 Elektronen und Kernen” handelt, bei denen das Verhalten der Elektronen aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung und quantenmechanischen Wechselwirkungen stark voneinander abhängt. Diese “starke elektronische Korrelation” kann durch Standardnäherungen in der Quantenchemie nicht adäquat abgebildet werden.
Die Divide-and-Conquer-Strategie: Hybridansätze für die Zukunft
Da herkömmliche Ansätze nicht ausreichen, setzt das qHPC-GREEN-Projekt auf eine innovative Lösung: die Integration von Quantencomputern (QC). Dr. Dobrautz’ hybrides algorithmisches Framework teilt die Berechnungen auf: Schwach korrelierte Regionen des Quantensystems werden von HPCs verarbeitet, während stark korrelierte Regionen den Quantencomputern zugewiesen werden. Dieser “Divide-and-Conquer”-Ansatz kombiniert die Stärken klassischer und neuartiger Quantenhardware und gewährleistet Ressourceneffizienz, selbst unter den aktuellen Einschränkungen der Quantenhardware.
Die HPC-Berechnungen für dieses wegweisende Projekt finden sowohl auf der internen Infrastruktur von CASUS am neuen Rechenzentrum des HZDR als auch auf dem JUWELS Supercomputing Cluster am Forschungszentrum Jülich statt. Auf der Quantencomputing-Seite profitiert das Projekt von Kooperationen mit renommierten Partnern wie IBM Research Zürich, dem Wallenberg Centre for Quantum Technology in Schweden, dem finnischen Softwareunternehmen Algorithmiq und JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) des Jülich Supercomputing Centre. Dr. Dobrautz hebt hervor, dass der bescheidene Qubit-Bedarf seines Ansatzes ihn auf kurzfristig verfügbaren Quantengeräten umsetzbar macht – ein entscheidender Vorteil gegenüber ressourcenintensiveren Methoden zur Bewältigung stark korrelierter Quantensysteme.
Sachsen als Magnet für Spitzenforschung
Prof. Thomas D. Kühne, Direktor von CASUS, unterstreicht die Attraktivität Sachsens als Forschungsstandort. Postdoktoranden mit Expertise in Künstlicher Intelligenz (KI) und Quantencomputing haben viele Optionen, besonders wenn sie eigenständig Fördergelder einwerben können. Die Entscheidung von Dr. Werner Dobrautz, seine Forschungsgruppe in Sachsen aufzubauen, bestätigt die führende Rolle der Region im Wettbewerb um die talentiertesten Köpfe. Diese Erfolge prägen das moderne Bild, das man gewinnt, wenn man Deutschland entdecken möchte, insbesondere in Bezug auf technologischen Fortschritt und die Entwicklung zukunftsweisender Lernmethoden in der Erwachsenenbildung und der Wissenschaft.
Die vom BMBF bereitgestellten 1,8 Millionen Euro ermöglichen es Dr. Dobrautz, wissenschaftliches Personal einzustellen und Geschäftsreisen zu finanzieren. Der dritte Durchlauf des Nachwuchsprogramms “Quantum Future” läuft von 2023 bis 2026. Zusammen mit qHPC-GREEN starteten im Januar 2025 auch Projekte an der Universität Hamburg (IonLinQ, 4,8 Millionen Euro) und an der Universität Augsburg (HoliQC2, 1,3 Millionen Euro). Dies zeigt die breite Investition Deutschlands in seine wissenschaftliche Zukunft. Solche Investitionen ermöglichen nicht nur Spitzenforschung, sondern tragen auch dazu bei, dass etwaige Kostenübernahme für Klassenfahrten in Zukunft vielleicht auch Themen wie Quantencomputing und Nachhaltigkeit behandeln können, um junge Talente frühzeitig zu fördern.
Fazit: Deutschlands Beitrag zu einer nachhaltigen Zukunft
Deutschland ist ein Land, das es auf vielfältige Weise zu entdecken gilt – von seinen kulturellen Schätzen bis hin zu seiner beeindruckenden Forschungslandschaft. Projekte wie qHPC-GREEN sind beispielhaft für Deutschlands Engagement, durch wissenschaftliche Exzellenz globale Herausforderungen im Bereich Nachhaltigkeit und Energie anzugehen. Diese Investitionen in Quantentechnologie und Hochleistungsrechnen sichern nicht nur die Position Deutschlands als führende Innovationsnation, sondern bieten auch die Hoffnung auf eine grünere und effizientere Zukunft für alle. Wer die technologische Spitze Europas verstehen möchte, sollte unbedingt die Forschung und Entwicklung hier in Deutschland entdecken.