Quantenphysik auf der großen Skala
Ein einzelnes Atom ist zwar ein relativ einfaches System. Dennoch kann es nicht mit „klassischer“ Mechanik beschrieben werden. Da auf dieser winzigen Skala eigene Gesetze herrschen, Teilchen über andere Eigenschaften als auf der „Makroskala“ verfügen, braucht es die Quantenmechanik. Bemerkenswerterweise ist es für Quantenphysiker*innen nach jahrzehntelanger Forschung mittlerweile zur Routine geworden, einzelne Quantensysteme – beispielsweise optisch eingefangene Einzelatome – zu isolieren, zu untersuchen und zu manipulieren.
Mit seinem Projekt “Atom-by-atom assembly of QUantum MattEr in waveguide and cavity QED”(AQUME) will Dr. Riccardo Pennetta dieses Verfahren nun auf einer größeren Skala ermöglichen. „In meinem Projekt werden wir experimentell etwas realisieren, was wir in der Natur nicht beobachten: große Systeme, deren Eigenschaften von Quantenmechanik kontrolliert werden“, erklärt Pennetta. „Wir wollen herausfinden, über welche Eigenschaften solche Systeme verfügen.“ Dafür werden Pennetta und sein Team experimentelle Werkzeuge entwickeln, mit denen sie Tausende von Atomen gleichzeitig einzeln steuern und – mithilfe von Photonen, die sich in nanophotonischen Wellenleitern ausbreiten – starke Wechselwirkungen zwischen ihnen herstellen können. Das Projekt ist zwar in der Grundlagenforschung angesiedelt. Dennoch könnten die Ergebnisse irgendwann Anwendung in der Quantenkommunikation finden, zum Beispiel für ein „Quanten-Internet“, in dem Nutzende Informationen über Prinzipien der Quantenmechanik austauschen.
„Ein ERC Starting Grant ist ein Traum für Nachwuchsforschende. Er ermöglicht mir unter anderem eine Versuchsanordnung zu errichten, die wahrscheinlich noch lange nach Ablauf der Förderung im Mittelpunkt meiner Karriere stehen wird“, sagt Pennetta.
Riccardo Pennetta hat seinen Master in Physik an der Universität Bari in Italien abgeschlossen, bevor er 2019 am Max Planck Institut für die Physik des Lichts und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg promovierte. Im Anschluss forschte er als PostDoc an der Humboldt-Universität zu Berlin. 2024 folgte ein Aufenthalt als Visiting Postdoctoral Research Associate an der Princeton University, USA. Seit Juli 2026 ist er am Institut für Angewandte Physik der Universität tätig.
Nervenzellen für die räumliche Wahrnehmung
Wie entstehen aus der Aktivität von Nervenzellen komplexe geistige Leistungen? Diese Frage treibt Prof. Dr. Dr. Lukas Kunz von der Klinik für Epileptologie am UKB an. In seinem ERC-geförderten Projekt "Making sense of space: Uncovering the roles of egocentric neurons for spatial behavior in humans (NEUROSPACE)” erforscht Kunz, wie das menschliche Gehirn die Welt aus seiner eigenen Perspektive wahrnimmt. „Wir gehen davon aus, dass es dafür spezielle Nervenzellen im Gehirn gibt, sogenannte egozentrische Neuronen“, erklärt Kunz. „Diese Zellen könnten die Position von anderen Personen, Gegenständen, Orientierungspunkten und Zielen relativ zum eigenen Körper repräsentieren und so eine innere Karte der Umgebung aus der eigenen Perspektive erzeugen.“
Um diese Hypothese zu untersuchen, messen Kunz und sein Team die Aktivität einzelner Nervenzellen bei Epilepsiepatientinnen und -patienten, die aus medizinischen Gründen ohnehin Elektroden im Gehirn tragen. Währenddessen bearbeiten die Teilnehmenden verschiedene Aufgaben sowohl in der realen Welt als auch in virtuellen Umgebungen. Damit wollen die Forschenden verstehen, welche Rolle die egozentrischen Nervenzellen beim Wahrnehmen, Orientieren, Navigieren, Erinnern und sogar beim Verstehen räumlicher Sprache spielen. „Unsere Erkenntnisse könnten dabei helfen, räumliche Orientierungs- und Gedächtnisstörungen bei Erkrankungen wie Epilepsie oder Alzheimer besser zu verstehen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie zu entwickeln“, führt Kunz aus, der auch Mitglied in dem Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Life and Health“ der Universität Bonn ist.
Lukas Kunz ist seit 2023 Professor für Kognitive und Translationale Neurowissenschaften an der Universität Bonn sowie Forschungsgruppenleiter an der Klinik für Epileptologie des Universitätsklinikums Bonn (UKB). Er studierte Medizin, Philosophie und Germanistik an der Universität Bonn und promovierte in Medizin und Biologie an den Universitäten Bonn und Freiburg. Von 2018 bis 2023 war er als PostDoc am Universitätsklinikum Freiburg und an der Columbia University in New York tätig.
