Zwei ERC Starting Grants für IST Austria Professoren

Johannes Fink und Maximilian Jösch, beide Assistant Professoren am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), wurden Starting Grants des European Research Councils (ERC) zuerkannt. Dies erhöht die Zahl an ProfessorInnen am IST Austria, die eine renommierte Förderung des ERC erhalten haben, auf 31. Mit dieser Förderung wird Johannes Fink, ein Experimentalphysiker, eine Schnittstelle für ein Glasfaser-Quantennetzwerk entwickeln, während Maximilian Jösch, ein Neurowissenschaftler, die neuronalen Mechanismen, die für Aufmerksamkeit benötigt werden, untersuchen wird.

Maximilian Jösch – Neuronale Basis der Aufmerksamkeit

Ständig strömt Information auf uns ein. Damit wir mit all den neuen Bildern, Gerüchen und Geräuschen zurechtkommen, hat sich bei uns und anderen Tieren die Aufmerksamkeit entwickelt: die Fähigkeit, uns auf eine Sache zu konzentrieren, wie diesen Text zu lesen, während wir andere Dinge ignorieren, etwa das Blinken, das uns auf die neueste SMS aufmerksam machen möchte. Erkrankungen, die unsere Aufmerksamkeit beeinträchtigen, sind eine Sorge für die öffentliche Gesundheit. Aufmerksamkeitsstörungen, wie ADHS und Autismus-Spektrum-Störung, betreffen rund 5% der Kinder weltweit. Wissenschaftler wissen bisher nicht genau, welche Mechanismen das Nervensystem für die Aufmerksamkeit verwendet.

In diesem Projekt werden Maximilian Jösch und sein Team den Rahmen schaffen, um die Aufmerksamkeit in Gesundheit und Krankheit zu erforschen. Sie untersuchen dafür die Colliculi superiores von Mäusen. Diese Gehirnregion ist bei Wirbeltieren evolutionär konserviert und bekannt für ihre Rolle sowohl bei der Aufmerksamkeit und als auch bei der Umwandlung von sensorischen Reizen in zielgerichtete Bewegungen, der sogenannten sensomotorischen Transformation. Das Team nutzt moderne genetische Werkzeuge, mit denen das Mäusegehirn untersucht werden kann. So können sie die Aktivität von Tausenden Neuronen überwachen und gleichzeitig das Verhalten des Tieres beobachten. Das ermöglicht den ForscherInnen ein Verständnis der neuronalen Mechanismen, die an der sensomotorischen Transformation beteiligt sind. Ihr Fokus liegt dabei auf der visuellen Information und darauf, wie visuelle Szenen, die eine Maus sieht, von den Colliculi superiores repräsentiert und moduliert werden.  Wenn wir zum Beispiel durch einen Wald laufen, muss unser Gehirn ständig Information verarbeiten, um den Abstand zum nächsten Ast oder zur nächsten Wurzel zu berechnen, damit wir nicht darüber stolpern. Sobald die Berechnung beendet ist, muss das Gehirn den Bewegungsapparat informieren, damit es die entsprechenden Muskeln richtig aktiviert. Die Fähigkeit, in einer natürlichen Welt voller Information, die für eine Aufgabe irrelevant ist, dem relevanten Objekt Beachtung zu schenken, ist eine nicht-triviale Aufgabe. Diese Studien ermöglichen es Maximilian Jösch, die neuronalen Mechanismen zu charakterisieren, die solchen Aufmerksamkeits- und zielgerichteten Verhalten zu Grunde liegen. Außerdem ermöglichen diese Studien ein Verständnis der gehirnweiten Modulationen, die diese Berechnungen je nach dem momentanen Bedürfnis des Tiers verändern.

2009 erhielt Maximilian Jösch sein Doktorat vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie und von der Ludwig-Maximilians-Universität München. Er arbeitete dann als Postdoctoral Fellow am Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried. Ab 2010 war Jösch Postdoctoral Fellow an der Harvard University in der Gruppe von Markus Meister. Maximilian Jösch kam Anfang 2017 als Assistant Professor an das IST Austria.

Johannes Fink – Eine Brücke zwischen Quantennetzwerken und Quantenrechnen

Supraleitende Quantenprozessoren sollen bald dabei helfen, komplexe Fragen schneller zu lösen. Ein logischer nächster Schritt in der Quantenrechnung ist, diese Prozessoren in einem Quantennetz zu verbinden – ähnlich wie herkömmliche PCs durch das Internet miteinander verbunden sind. Eine, bis jetzt noch hypothetische, Möglichkeit dabei ist, die existierende Glasfaser-Infrastruktur für ein Quantennetzwerk zu nutzen. Die Forschung zur Entwicklung von on-chip Quantengeräten schritt aber großteils unabhängig von der Forschung an großskaligen Netzwerken voran. Fortschritte in diesen beiden Gebieten sind oft nicht miteinander kompatibel. Im vom ERC geförderten Projekt wird Johannes Fink einen Glasfaser Sender-Empfänger, oder Transceiver, entwickeln, der eine Verbindung von supraleitenden Quantenprozessoren ermöglicht.

Supraleitende qubits und einzelne Mikrowellen-Photonen, sind die „Bits“ der supraleitenden Quantenprozessoren. Sie ermöglichen eine schnelle Verarbeitung, sind aber anfällig für Störungen, thermisches Rauschen und Verluste. Das schränkt die Einsatzmöglichkeiten von Qubits in der Quantenkommunikation ein. Mit Qubits arbeitende supraleitende Quantenprozessoren müssen annähernd bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt werden, damit sie funktionieren. Das Verschicken von Qubits zwischen solchen Prozessoren über eine Verbindung, die Raumtemperatur besitzt, ist bis jetzt nicht möglich gewesen.

Fink wird in dem vom ERC geförderten Projekt eine Brücke zwischen den Welten der Quantennetzwerke und der Quantenrechnung schlagen. Er möchte mit Silizium-Photonik einen Transducer für verlustarme Glasfaserkommunikation bauen, und diesen mit supraleitenden Schaltkreisen für die Quanteninformationsverarbeitung integrieren. Indem er Silizium-Photonik und supraleitende Schaltkreise integriert, möchte Fink einen verlustarmen Transceiver mit hoher Bandbreite verwirklichen und die Reichweite aktueller Glasfaser-Quantennetzwerke vergrößern.

Johannes Fink erhielt 2010 sein Doktorat in Physik von der ETH Zürich, Schweiz. Nach einem Jahr als Postdoctoral Researcher am ETH Zürich ging Fink an das California Institute of Technology, USA. Am Caltech arbeitete Fink von 2012-2015 als IQIM Postdoctoral Research Scholar, und von 2015-2016 als Senior Staff Scientist. Fink kam 2016 als Assistant Professor an das IST Austria.