Neue Katalysatoren für mehr Nachhaltigkeit

CASUS-Wissenschaftler erhält 1,8 Millionen Euro aus dem BMBF-Programm "Quantum Future"

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit seinem laufenden Nachwuchsförderprogramm "Quantum Future" die Forschung zu kontrollierten Quantenzuständen einzelner oder gekoppelt Systeme. Zu den ersten ausgewählten Projekten, die im Januar 2025 gestartet sind, gehört "qHPC-GREEN", das von Dr. Werner Dobrautz, dem Leiter einer Juniorforschergruppe, vorgeschlagen wurde. Er begann 2024, sein Forschungsteam am Center for Advanced Systems Understanding (CASUS), einem Institut des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), aufzubauen. Der Computerchemiker zielt darauf ab, quantenmechanische Systeme zu modellieren, die im Kern bestimmter biochemischer und physikalischer Phänomene stehen, die für Umwelt- und Energieherausforderungen relevant sind. Das Projekt, das bis Ende 2029 läuft, wird Quanten- und Hochleistungsrechnen kombinieren, um dieses Ziel zu erreichen.

Foto: Mit dem Nachwuchswettbewerb Quantum Future leistet das BMBF einen Beitrag zur Verbesserung der Rahmenbedingungen insbesondere für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einer frühen Karrierephase und zur Steigerung der Attraktivität Deutschlands als Forschungsstandort. ©Copyright: BMBF — Mit dem Quantum Future-Wettbewerb für Nachwuchstalente unterstützt das BMBF die Verbesserung der Rahmenbedingungen, insbesondere für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einer frühen Karrierephase, und erhöht die Attraktivität Deutschlands als Forschungsstandort.

Quelle: BMBF

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Das Projekt, das mit dem Zuschuss, den Dobrautz erhalten hat, angegangen wird, steht in engem Zusammenhang mit Katalysatoren. Sie erhöhen die Rate chemischer Reaktionen, ohne dabei selbst verändert zu werden. Die überwältigende Mehrheit der heutigen chemischen und biochemischen Produkte basiert bei der Produktion auf Katalysatoren, aber ihr Potenzial für noch mehr Innovation ist riesig. Mit seiner neu gegründeten Juniorforschergruppe "AI4Quantum" versucht Werner Dobrautz unter anderem zu verstehen, wie bestimmte Biokatalysatoren, eine Gruppe von Katalysatoren, die auf Molekülen basieren, die Leben ausmachen, funktionieren. "Mit diesem Verständnis könnten wir versuchen, neue industrielle Katalysatoren zu entwickeln, die chemische Reaktionen ermöglichen, die für nachhaltigere Produktionsprozesse erforderlich sind", sagt er.

In seinem Forschungsvorschlag "Quantum-enhanced high-performance computing for the green energy transition" (qHPC-GREEN), der im BMBF-Programm "Quantum Future" erfolgreich war, wählte Dobrautz einen relevanten Anwendungsfall: "Ammoniumhaltige Düngemittel haben die landwirtschaftliche Produktivität nach ihrer Einführung vor über 100 Jahren auf ein ganz neues Niveau gehoben. Aber ihre industrielle Produktion benötigt eine riesige Menge Energie. Ein technischer Prozess, der auf der biologischen Stickstofffixierung basiert, gefördert durch das Enzym Nitrogenase und seinen Eisen-Molybdän-Kofaktor, ist eine sehr vielversprechende Alternative." Diese biokatalytische Umwandlung von Wasserstoff und Stickstoff in Ammonium ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden.

Teilen-und-herrschen-Strategie

Ein klassischer Ansatz, um das Hindernis zu überwinden, besteht darin, die Prozesse der Reaktion zu modellieren. Aber es stellte sich heraus, dass selbst die heutigen Hochleistungsrechner (HPC) nicht in der Lage sind, die Komplexität der quantenmechanischen Mechanismen zu entschlüsseln, die dem Stickstofffixierungsprozess zugrunde liegen. "Was wir hier haben, ist ein kleines Quantensystem mit weniger als 100 Elektronen und Kernen, das typischerweise durch einige Atome oder Moleküle dargestellt wird", erklärt Dobrautz. "Darüber hinaus ist das Verhalten der Elektronen in diesem System aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung und quantenmechanischen Wechselwirkungen stark voneinander abhängig. Das nennen wir 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 es keine guten Näherungen oder andere Abkürzungen gibt, bleibt nur die Lösung, die Computer alle Berechnungen durchführen zu lassen. Da selbst klassische HPC nicht leistungsstark genug sind, zielt das Projekt qHPC-GREEN darauf ab, Quantencomputer (QC) einzubeziehen. Der vom Antragsteller vorgeschlagene hybride algorithmische Rahmen leitet Berechnungen für schwach korrelierte Bereiche des zu untersuchenden quantenmechanischen Systems an HPC – und Berechnungen für stark korrelierte Bereiche an QC. "Mein Ansatz kombiniert die Stärken sowohl klassischer als auch neuartiger Quantencomputer-Hardware. Während viele hybride Systeme in Entwicklung sind, gewährleistet unser Teilen-und-herrschen-Ansatz eine Ressourceneffizienz, selbst angesichts der aktuellen Einschränkungen der Quantenhardware", erklärt Dobrautz.

Die HPC-Berechnungen für dieses Projekt werden sowohl intern auf der HPC-Infrastruktur von CASUS, die derzeit im neuen Datenzentrum des HZDR installiert wird, als auch am JUWELS Supercomputing-Cluster am Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Auf der Seite des Quantencomputings profitiert das Projekt von Kooperationen mit IBM Research Zurich in der Schweiz, dem Wallenberg Centre for Quantum Technology in Schweden, dem finnischen Softwareunternehmen Algorithmiq und der JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) des Jülicher Supercomputing-Zentrums. Da sich die meisten Quantencomputing-Ressourcen noch in der Hochlaufphase befinden und das Interesse an deren Nutzung überwältigend ist, weist Dobrautz auf die – im Vergleich – bescheidenen Qubit-Anforderungen seines Ansatzes hin, was seine Implementierung auf kurzfristigen Quanten-Geräten praktikabel macht, was ein entscheidender Unterscheidungsfaktor im Vergleich zu ressourcenintensiveren Ansätzen zur Lösung des Problems des Verständnisses stark korrelierter Quantensysteme ist.

Erfolg für Sachsens KI-Strategie

CASUS-Direktor Prof. Thomas D. Kühne weist darauf hin, dass Postdoktoranden, die ihren nächsten Karriereschritt suchen, derzeit viele Möglichkeiten haben, wenn sie Experten für künstliche Intelligenz (KI) und Quantencomputing sind – und noch mehr, wenn sie mit selbstbeschafften Mitteln kommen: "Ich freue mich daher sehr, dass Werner Dobrautz beschlossen hat, seine erste eigene Forschungsgruppe bei uns einzurichten. CASUS, das HZDR und Sachsens Forschungslandschaft beweisen damit erneut, dass ihre Konzepte und das gesamte Umfeld an der Spitze des aktuellen Wettbewerbs um die talentiertesten Köpfe stehen."

Die 1,8 Millionen Euro, die ihm zugesprochen wurden, wird Dobrautz für die Einstellung wissenschaftlichen Personals und für Dienstreisen ausgeben. Die dritte Runde des Nachwuchsförderprogramms "Quantum Future" 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 angekündigt. In den ersten beiden Wettbewerben 2017 und 2021 wurden bereits zwei Mal zehn Juniorforschergruppen gefördert und eingerichtet, wobei die Mehrheit der ausgewählten Gruppenleiter inzwischen bereits auf Professuren berufen wurde.

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