Forschungsdurchbrüche 2022 in München:Günstige Lichttechnik und der ultimative Hacker-Schutz

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Komplexer Versuchsaufbau: So sieht es aus, wenn Physiker in den Laboren der Ludwig-Maximilians-Universität forschen, wie das Internet auch mit Quanten-Super-Computern nicht gehackt werden kann. (Foto: MCQST / Jan Greune)

Welche bahnbrechenden Erkenntnisse Wissenschaftlerinnen und Forschern an LMU und TU im vergangenen Jahr geglückt sind. SZ-Serie.

Von René Hofmann

Mehr Licht

Worum geht es? Um helle, stabile und leicht zu recycelnde Beleuchtungstechnik.

Licht aus dem Labor: Darum ging es bei der Kooperation zwischen der TU und der Universität Turin. (Foto: Jan Winter)

Warum ist das wichtig? Licht ist überall gefragt. Deshalb wird intensiv an Techniken geforscht, um Beleuchtungsmittel kostengünstig und einfach herzustellen. Ein Weg: lichtemittierende elektrochemische Zellen, im Englischen light-emitting electrochemical cells (LEC) genannt. Das sind Dünnschichtbauteile, die nach Anlegen einer niedrigen Spannung Licht erzeugen. Den Wissenschaftlern ist es nun gelungen, solche Zellen aus Kupferkomplexen zu erschaffen. Möglich wurde dies durch eine umfangreiche Datenanalyse der Eigenschaften dieser Kupferkomplexe - und einer Untersuchung, wie deren Struktur und elektronische Parameter den Wirkungsgrad bestimmen und die Farbe und Intensität des abgestrahlten Lichtes. Das Ergebnis: leistungsstarke LECs, die blaues Licht emittieren.

TU-Professor Rubén D. Costa und seine Studentin Ginnevra Giobbio bei Arbeiten am neuartigen Beleuchtungssystem. Dieses befindet sich in einem Isolator, der gasdicht abgeschlossen ist. (Foto: Jan Winter/TUM)

Wer hat's herausgefunden? Forschungsgruppen um Rubén D. Costa, Professor für Biogene Funktionswerkstoffe am Campus der Technischen Universität München (TUM) in Straubing, und von Claudia Barolo an der Universität Turin.

Wie geht es weiter? "Um günstige Bauelemente zu entwickeln, die weißes Licht abstrahlen, wird Blaulicht benötigt. Der bisherige Mangel an blauen Strahlern behinderte jedoch den Übergang vom Labor zum realen Markt. Die Erzeugung von blauen Strahlern ist demnach ein Meilenstein in der Dünnschichtbeleuchtung. "Wenn blaue Bauelemente erst einmal da sind, können wir weiße Bauelemente relativ einfach herstellen", prophezeit TU-Professor Rubén D. Costa. Mit den neuartigen LECs sei es möglich, ein Weiß mit einem Farbwiedergabeindex von 90 zu realisieren, so Claudia Barolo von der Universität Turin. Der Farbwiedergabeindex gibt an, wie natürlich Farben von beleuchteten Gegenständen wirken. Er kann maximal den Wert 100 einnehmen. 90 sei damit schon sehr gut.

Viren als Medizin gegen Bakterien

Worum geht es? Immer mehr Bakterien sind resistent gegen Antibiotika. Eine Alternative zur Bekämpfung der Bakterien: sogenannte Bakteriophagen. Dies sind Viren, die spezifisch bestimmte Bakterien befallen.

Warum ist das wichtig? In der EU sterben mehr als 30 000 Menschen im Jahr an den Folgen bakterieller Infektionen, gegen die kein Antibiotikum hilft. Nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation WHO gehören multiresistente Keime zu den größten gesundheitlichen Bedrohungen. Bakteriophagen sind die natürlichen Feinde der Bakterien. Von diesen Viren gibt es Millionen Arten, eine jede spezialisiert auf bestimmte Bakterien. Die Viren nutzen die Bakterien für die Vermehrung, indem sie ihre DNA in diese einschleusen. Im Bakterium vermehren sich die Viren schnell. Am Ende töten sie die Zelle ab und treten aus, um neue Zellen zu infizieren. Sie wirken so wie ein sehr spezifisches Antibiotikum. "In den Bakteriophagen steckt ein enormes Potenzial", sagt Gil Westmeyer, Professor für Neurobiological Engineering an der Technischen Universität München (TUM) und Direktor des Instituts für synthetische Biomedizin am Helmholtz Zentrum München, "bisher war es jedoch nicht möglich, die Bakteriophagen gezielt, reproduzierbar, sicher und effizient herzustellen - genau dies sind aber die entscheidenden Kriterien für eine erfolgreiche Produktion von Pharmazeutika." Sein Team hat hierfür jetzt ein neues Verfahren entwickelt: eine Nährlösung, in der sich Bakteriophagen bilden und vermehren und die - anders als die vorher genutzten Lösungen - keine lebensfähigen Zellen benutzt. Das heißt, es sind keine potenziell infektiösen Bakterienstämme mehr nötig. Alles, was man braucht, ist das Erbgut, also die DNA der Viren, die entstehen sollen. Um das Verfahren zu testen, gelang es, eine Bakteriophage für einen Patienten herzustellen, der an einer antibiotikaresistenten Hautinfektion litt.

Wer hat's erfunden? Das Forschungsteam von Gil Westmeyer in Zusammenarbeit mit Kilian Vogele und dem Start-up Invitris. Die Grundlage für die Technik hatte zuvor eine Gruppe Studierender der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München erarbeitet, wofür sie 2018 beim Internationalen Genetically Engineered Machine-Wettbewerb (iGEM) ausgezeichnet worden waren. Aus dieser Gruppe war das Start-up hervorgegangen.

Gil Westmeyer (links) und Kilian Vogele. (Foto: Andreas Heddergott/TUM)

Wie geht es weiter? Die neue Technik wurde zum Patent angemeldet, sie wird nun für weitere Forschungen an der TUM benutzt. Ideal, so Westmeyer, sei sie langfristig in Verbindung mit einem genetischen Archiv, in dem die DNA relevanter Bakteriophagen gespeichert werden könne. Im Bedarfsfall könne man mit Hilfe dieses Archivs in der Nährlösung dann schnell Bakteriophagen herstellen.

Quantenkryptografie und Quanteninternet

Worum geht es? Um eine fortgeschrittene Form der Quantenkryptographie.

Warum ist das wichtig? Im Internet gibt es viele sensible Informationen. Dass sie nicht abgefangen werden - dafür sorgen Verschlüsselungstechniken. Künftig aber könnten Quantencomputer diese überwinden, die leistungsstarken Rechner könnten die Schlüssel schnell knacken. Die quantenmechanische Technik macht deshalb auch eine neue Form der Kryptographie nötig. Eine Form gibt es schon: den quantenmechanischen Schlüsselaustausch - im Fachjargon Quantum Key Distribution (QKD). Er macht Verbindungsleitungen abhörsicher. Ein mögliches Einfallstor aber bleibt: die Computer. Die Geräte könnten Verschlüsselungen ausgeben, die der Hersteller zuvor abgespeichert und an Hacker weitergegeben hat. Die Lösung für das Problem bietet die Device independent QKD, kurz DIQKD. Hier ist das kryptografische Protokoll vom verwendeten Gerät unabhängig. Zum Austausch quantenmechanischer Schlüssel gibt es unterschiedliche Ansätze. In einem wegweisenden Experiment nutzten die Physiker nun zwei Quantensysteme, die sich auf dem Campus der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) befinden und die über ein 700 Meter langes Glasfaserkabel verbunden sind, das vor dem Hauptgebäude der Universität unter dem Geschwister-Scholl-Platz hindurch verläuft. Um eine Verschränkung zu erzeugen, nutzen die Wissenschaftler zwei Rubidium-Atome. Diese werden mit je einem Laserpuls angeregt, worauf sie jeweils ein Photon aussenden. Durch das Glasfaserkabel werden die beiden Lichtteilchen zu einer Empfangsstation geschickt, in der nach einer Messung eine Verschränkung der beiden Quantenspeicher geschieht. Daraufhin werden die Quantenzustände der beiden Atome gemessen. Stimmen diese in den entscheidenden Parametern überein, können die Ergebnisse zur Erzeugung eines geheimen Schlüssels verwendet werden. Mit den Werten weiterer Parameter kann getestet und sichergestellt werden, dass in den Geräten nicht vorab verborgene Messresultate gespeichert wurden.

Wer hat's erfunden? Die Theorie zu dieser Methode existiert seit den 1990er Jahren. Nun wurde sie erstmals experimentell realisiert - von einer internationalen Forschergruppe um LMU-Physiker Harald Weinfurter und Charles Lim von der National University of Singapore (NUS). In einem anderen wegweisenden Experiment glückte es einem Team um Weinfurter und Christoph Becher, Professor an der Universität des Saarlandes, zwei Quantenspeicher über eine 33 Kilometer lange Glasfaserverbindung miteinander zu verschränken. Dies war ein Rekord - und ein wichtiger Schritt Richtung Quanten-Internet.

Experimentiert mit Verschlüsselungstechnik: Quantenkryptografie-Experte Harald Weinfurter. (Foto: N/A)

Wie geht es weiter? "Mit unserer Methode können wir nun mit nicht charakterisierten und potenziell nicht vertrauenswürdigen Geräten geheime Schlüssel erzeugen", erklärt Harald Weinfurter. Auch einer Forschergruppe von der University of Oxford und der Université Paris-Saclay ist in diesem Jahr ein geräteunabhängiger Schlüsselaustausch gelungen - in einem System aus zwei verschränkten Ionen im selben Labor. "Diese beiden Arbeiten legen das Fundament für zukünftige Quantennetzwerke, in denen zwischen weit entfernten Orten eine absolut sichere Kommunikation möglich ist", sagt Charles Lim, Assistant Professor an der University of Singapore. Eines der nächsten Ziele ist die Ausweitung des Systems auf mehrere verschränkte Atompaare. Und der Ausbau der Reichweite.

Entwicklungshilfe mit KI steuern

Worum geht es? Künstliche Intelligenz, um weltweite Projekte der Entwicklungshilfe besser bewerten zu können.

Warum ist das wichtig? Weltweit werden große Summen aufgebracht, um Länder in bestimmten Bereichen zu unterstützen. Dabei gibt es sehr unterschiedliche Ansätze und Geldgeber. Internationale Organisationen überweisen Geld, schicken Material, bieten technologische Unterstützung oder Weiterbildungen. Daneben gibt es eine Vielzahl kleinerer nationaler Träger. Angesichts der verteilten Summen wäre es wichtig, einen globalen Überblick zu haben, wohin und in welche Bereiche Unterstützung fließt, so der Ansatz der Wissenschaftler, dann ließen sich die Projekte besser koordinieren. Um dies zu erreichen, nutzten sie Künstliche Intelligenz und analysierten 3,2 Millionen Projekte, die zwischen den Jahren 2000 und 2019 stattgefunden hatten. Die Summe, die dabei bewegt wurde: 2,8 Billionen US-Dollar. Eine so umfangreiche Auswertung gab es zuvor nicht. Am Ende ergab sich ein in 173 Kategorien gerasterter Überblick über die Projekte: von Bildung und Ernährung bis hin zur Biodiversität.

Wer hat's herausgefunden? Ein Team von KI-Experten um Stefan Feuerriegel, Leiter des Institute of Artificial Intelligence in Management der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), und der ETH Zürich.

Erforscht KI im Management: Stefan Feuerriegel. (Foto: LMU)

Wie geht es weiter? "Mithilfe unseres Rahmenwerks ist es möglich, Projekte der globalen Entwicklungshilfe unter verschiedenen, bislang auch nicht berücksichtigten Gesichtspunkten wie zum Beispiel Klimaschutz zu beobachten. Dadurch können wir regionale und zeitliche Unterschiede identifizieren und auf Lücken hinweisen", sagt Stefan Feuerriegel. So könnten Institutionen der Entwicklungshilfe evidenzbasierte Entscheidungen treffen. Außerdem zeige die feine Unterteilung, dass bei den Themenbereichen Treibhausgasemissionen und Müttergesundheit hoher Forschungsbedarf bestehe.

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