
ZEISS Colloquium
ZEISS Colloquium über Kernfusion

Virtueller Vortrag mit Prof. Dr. Constantin Häfner
12. September 2023
Prof. Dr. Constantin Häfner, Institutsleiter des Fraunhofer Instituts für Lasertechnik, ist am 12. September 2023 zu Gast beim virtuellen „ZEISS Colloquium – Innovation Talks“. Dort hält er einen Vortrag zum Thema „Zündung thermonuklearer Fusionsplasmen mittels Hochleistungslaser: Meilenstein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, sauberen Energiegewinnung“. Die Vortragssprache ist Deutsch. Interessierte können am MS Teams Live Event teilnehmen.
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Neuronale Netze (NNs), höhere Rechenleistungen und immer größere Datensätze erhöhen den Druck im Bereich des maschinellen Lernens (ML), automatisierte Lösungen für schwierigere Aufgaben des Alltags zu entwickeln. Vor allem eine für Menschen unmögliche Leistung und die kürzeren Reaktionszeiten versprechen enorme technologische und gesellschaftliche Vorteile. Trotz ihrer Skalierbarkeit stellen die NN-Lernformulierungen eine wesentliche Herausforderung für die Back-End-Lernalgorithmen dar. Schuld daran sind insbesondere Traps in der nicht-konvexen Optimierungslandschaft, wie etwa Sattelpunkte, die Algorithmen daran hindern können, „gute“ Lösungen zu liefern.
In diesem Vortrag stellt Cevher die aktuelle Forschung vor, die zeigt, dass das Dogma der nicht-konvexen Optimierung falsch ist. Er konnte mit seinem Team beispielsweise nachweisen, dass skalierbare stochastische Optimierungsalgorithmen Traps verhindern und schnell lokal optimale Lösungen hervorbringen können. In Verbindung mit den Fortschritten im Bereich des Representational Learning, zum Beispiel bei überparametrisierten neuronalen Netzen, können solche lokalen Lösungen global optimal sein.
„Leider müssen wir in diesem Vortrag auch darauf eingehen, dass die zentralen Min-Max-Optimierungsprobleme im ML, wie Generative Adversarial Networks (GANs), robustes Reinforcement Learning (RL) und verteilungsrobustes ML, falsche Attraktoren ohne stationäre Punkte der ursprünglichen Lernformulierung enthalten“, so Cevher. „Tatsächlich werden wir beschreiben, welchen noch größeren Herausforderungen die Algorithmen unterliegen, einschließlich unvermeidlicher Konvergenzfehler, was die Stagnation der Fortschritte trotz der beeindruckenden früheren Demonstrationen erklären könnte“. Abschließend stellt er vielversprechende neue vorläufige Erkenntnisse vor, die er aus jüngsten Fortschritten bei einigen dieser schwierigen Herausforderungen ziehen konnten.
Volkan Cevher erhielt 1999 den B.Sc. in Elektrotechnik (Jahrgangsbester) von der Bilkent University in Ankara, Türkei, und 2005 den Ph.D. in Elektro- und Computertechnik vom Georgia Institute of Technology in Atlanta, USA. Von 2006 bis 2007 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Maryland, College Park, ebenso wie von 2008 bis 2009 an der Rice University in Houston, Texas. Gegenwärtig ist er Associate Professor an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und Faculty Fellow im Fachbereich Elektro- und Computertechnik der Rice University. Zu seinen Forschungsinteressen zählen maschinelles Lernen, Signalverarbeitungstheorie, Optimierungstheorie und -methoden sowie Informationstheorie. Dr. Cevher ist ELLIS Fellow und wurde 2018 mit dem Google Faculty Research Award, 2016 mit dem IEEE Signal Processing Society Best Paper Award, 2015 beim CAMSAP mit dem Best Paper Award, 2009 bei der SPARS mit dem Best Paper Award und 2016 mit einem ERC CG sowie 2011 mit einem ERC StG ausgezeichnet.
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„Die erste experimentelle Quantenteleportation an der Universität Innsbruck im Jahr 1997 erregte weltweit großes Aufsehen“, erinnert sich Weihs. Für einige sind damals Science-Fiction Träume Wirklichkeit geworden, für die Physik sei es ein regelrechter Durchbruch gewesen. „Es gab nämlich die Antwort auf die Frage, wie man den Zustand eines Quantenteilchens an einen anderen Ort bringt, ohne das Teilchen selbst mit größter Vorsicht dorthin zu bewegen“, so der Professor für Photonik.
Aber warum möchte man überhaupt einen Quantenzustand übertragen? Wenn es einen Quantencomputer gäbe, der lange an einer Rechnung gearbeitet hat und das quantenmechanische Ergebnis an einen anderen Quantencomputer als Eingabe übergeben werden soll, benötige man dafür Teleportation. Der Einsatz ist aber auch denkbar, wenn mehrere Quantencomputer gemeinsame, parallele Berechnungen machen sollen oder verteilte Quantensensoren zusammengeschaltet werden beziehungsweise ein Kommunikationskanal zur Quantenschlüsselverteilung zwischen zwei sehr weit entfernten Punkten aufgespannt werden soll.
Die drei Szenarien sind Beispiele für Quantenkommunikation. „Wie bei der Berechnung von mathematischen Problemen oder in der Simulation macht es einen großen Unterschied, wenn die Information bei der Übertragung nicht herkömmlich, klassisch kodiert ist, sondern in Quanteneigenschaften der Träger, praktischerweise ausschließlich einzelne Photonen“, so Weihs, der in seinem Vortrag über Grundlagen, aktuelle Entwicklungen und Anwendungen der Quantenkommunikation sprechen wird. Zudem zeigt er auf, wo die Herausforderungen für eine breite kommerzielle Nutzung liegen.
Weihs ist Vizerektor für Forschung und Professor für Photonik am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Nach seiner Promotion „sub auspiciis praesidentis“ an der Universität Wien im Jahr 2000 war er Consulting Assistant Professor an der Stanford University, USA und ab 2005 Canada Research Chair in Quantum Photonics am Institute for Quantum Computing der University of Waterloo, Kanada bevor er 2008 nach Innsbruck berufen wurde. Unter seinen Auszeichnungen sind der Starting Grant des Europäischen Forschungsrats ERC und die Wilhelm Exner Medaille der Österreichischen Gewebevereins. Im Oktober 2023 wir der Exzellencluster Quantum Science Austria unter seiner Führung starten. In seiner Forschung beschäftigt er sich mit den Grundlagen der Quantenphysik, mit der Quanteninformationsverarbeitung und mit photonischen Quantentechnologien auf der Basis von Halbleiternanostrukturen.
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Über Quantenmaterie und Zeitmessung
In seinem Vortrag legt Dr. Jun Ye dar, wie präzises Quanten-Engineering, Vielteilchenphysik und innovative Lasertechnologie die Präzision von Atomuhren und Zeitmessung revolutionieren und wie sich dadurch Möglichkeiten eröffnen, neue Phänomene und physikalische Grundlagen zu erforschen. Zu den neuesten Fortschritten in diesem Bereich zählen die präzise Kontrolle von Mehrkörper-Wechselwirkungen für höchste Messgenauigkeit, die Messung der gravitativen Zeitdilatation über einige hundert Mikrometer hinweg und der Uhrenabgleich per Spin Squeezing.
Zusammen mit seiner Forschungsgruppe am JILA erforscht Dr. Jun Ye die Grenzbereiche der Wechselwirkungen von Licht und Materie. Präzise gesteuerte Laser ermöglichen die Kommunikation mit mikroskopisch hergestellten Quantensystemen aus Atomen und Molekülen. Auf Basis von Materie, die in bestimmten Quantenzuständen präpariert wird, und unter Verwendung von Laserlicht mit der längsten Kohärenzzeit und einer genau kontrollierten Wellenform arbeitet das Team an grundlegenden wissenschaftlichen Entdeckungen und der Entwicklung neuer Technologien.Dr. Jun Ye studierte Physik an der Jiaotong-Universität Shanghai und an der University of New Mexico und legte seine Dissertation an der University of Colorado ab. Heute ist Dr. Jun Ye Fellow am JILA, Fellow am National Institute of Standards and Technology sowie Professor Adjoint im Physics Department der University of Colorado in Boulder. Er ist außerdem Mitglied der National Academy of Sciences, Fellow der American Physical Society und Fellow der Optical Society of America. Seine Forschung konzentriert sich auf die Grenzbereiche der Wechselwirkungen von Licht und Materie. Dabei beschäftigt er sich unter anderem mit Präzisionsmessung, Quantentechnologie, ultrakalter Materie und Frequenzmetrologie. Er ist Mitautor von 380 wissenschaftlichen Arbeiten und hat mehr als 600 Vorträge gehalten.
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Die Milchstraße – Supermassereiches schwarzes Loch
„Supermassereiche schwarze Löcher gehören zu den rätselhaftesten Objekten, die Astronom*innen zu verstehen versuchen seit Karl Schwarzschild im Jahr 1916 – also vor 106 Jahren – die Einstein’schen Feldgleichungen gelöst hat“, so die Wissenschaftlerin, die an der Universität Heidelberg eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an dem zum ZAH gehörenden Astronomischen Rechen-Institut leitet (ARI). „Es wird mittlerweile sogar angenommen, dass alle großen Galaxien im Universum ein supermassereiches schwarzes Loch in ihrem Zentrum bergen“. Das bekannteste Beispiel sei das supermassive schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Im Jahr 2020 wurde ein Teil des Nobelpreises für Physik für die Entdeckung und Bestätigung verliehen.
Zahlreiche Beobachtungen und theoretische Studien deuten darauf hin, dass supermassereichen schwarzen Löchern eine entscheidende Rolle in der Galaxienentwicklung zu Teil wird. Zum Beispiel kann durch die Energie, die während der aktiven Wachstumsphasen von schwarzen Löchern frei wird, das Wachstum von massiven Galaxien reguliert werden. Dies sind wichtige Prozesse, die auch in Theorien zur Galaxienentwicklung bedacht werden müssen.
Galaxien mit James-Webb-Weltraumteleskop erforschen
Das tatsächliche Beobachten solcher Prozesse ist erst seit relativ kurzer Zeit möglich, dank moderner Teleskope und neuester Daten. Moderne Teleskope, wie das James-Webb-Weltraumteleskop und die nächste Generation optischer 40-Meter-Teleskope, werden zudem weitere revolutionäre Arbeiten sowohl im Bereich der Aktiven Galaxienkerne als auch der Galaxienforschung ermöglichen.
Das James Webb Space Telescope (JWST oder Webb), eine gemeinsame Mission der NASA, der ESA und der kanadischen Weltraumbehörde CSA, startete am 25. Dezember 2021 und ist das größte, leistungsstärkste und komplexeste Weltraumteleskop, das je gebaut und ins All gebracht wurde. Es soll das Verständnis des Universums grundlegend verändern. Die Frage, wie zentrale schwarze Löcher ihre Galaxien beeinflussen, ist eine der Schlüsselfragen, die mit diesem 10-Milliarden-Dollar teuren Observatorium untersucht werden sollen. Wylezalek ist eine der ersten Wissenschaftler*innen, die das JWST für wissenschaftliche Untersuchungen nutzen konnte, und wird in ihrem Vortrag ebenfalls erläutern, welche revolutionären Erkenntnisse das JWST schon geliefert hat und welche noch erwartet werden.
Dr. Dominika Wylezalek studierte Physik an den Universitäten Heidelberg und Cambridge; ihre Promotion erfolgte an der Universität München. Nach Forschungstätigkeiten an der Johns Hopkins University, USA, und dem European Southern Observatory (ESO) in München leitet sie seit 2020 die DFG Emmy Noether Forschungsgruppe im Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg.
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