Von Michel Altmikus und Steffen Stierand
14.10.25 bis zum 24.10.25
Während unseres Praktikums der Auricher Wissenschaftstage durften wir am MPQ (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) zeugen der erstaunlichen Welt der Quantenphysik werden. Betreut von Frau Dr. Silke Stähler-Schöpf erhielten wir einen spannenden Einblick in die aktuelle Forschung, nicht nur in der Quantenphysik, sondern auch in deren Anwendungen für die Medizin. Des Weiteren konnten wir Experimente zur Optik und Quantenoptik durchführen, sowie ein eigenes Projekt zur Modellierung eines Quantencomputers vollenden.
Am ersten Tag unseres Praktikums wurden wir zuerst herzlich von Frau Dr. Stähler-Schöpf im Empfangsbereich des MPQs begrüßt. Nach einem kurzen Einblick in das PhotonLab, das unser Praktikumsplatz für die nächsten zwei Wochen sein würde, nahmen wir mit einer Schulklasse aus Hamburg an einem Schülerprogramm des PhotonLabs teil. In diesem wurden wir über das MPQ und die Entwicklung des ersten Lasers, 1960 von Theodore Maiman, aufgeklärt, welche für die Forschung am MPQ von größter Bedeutung sind.
Somit wurde danach auch auf die Forschung im Bereich der Attosekundenphysik übergeleitet, die auf Lasern beruht, die eine Pulsdauer von 
erreichen können. Für diese bedeutende Errungenschaft erhielten Ferenc Krausz, Pierre Augustini, Anne L’Huillier 2023 den Nobelpreis für Physik.
Ultrakurzpulslaser haben heutzutage auch in der Medizinforschung ihren Platz gefunden. Im Center for Advanced Laser Applications (kurz: CALA) wird ausgiebig an medizinischen Anwendungen dieser Laser geforscht. Nach einer Einführung zur Lasersicherheit und einer einstündigen Experimentierphase durften wir mit selbiger Schulklasse dem CALA einen Besuch abstatten und Forschung hautnah erleben.
Das CALA befindet sich in einem abgeschotteten Gebäude, fast ohne Fenster, am anderen Ende des Campus, da dort mit Hochleistungslasern gearbeitet wird, die eine große Gefahr für den Menschen darstellen können. Ein Beispiel für einen solchen Laser ist der ATLAS 3000. Mit einer Nennleistung von 100 Watt und einer Pulsfrequenz von einem Herz, aber nur einer Pulsdauer von 25 Femtosekunden, kann eine Spitzenleistung von 2,5 Petawatt erreicht werden. Zum Vergleich: Ein großes Energiekraftwerk erreicht Spitzenwerte von etwa 2 Gigawatt, also von einem Millionstel der Spitzenleistung. Die Anwendungsbereiche von diesem Laser reichen von der Krankheitsdiagnostik bis zur Strahlentherapie. Bsp. werden bei der Strahlentherapie mithilfe des Lasers Protonen beschleunigt, die tief in das Gewebe eindringen, um dort Tumore zu bekämpfen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wird der Großteil der Energie erst bei einer bestimmten Tiefe im Gewebe frei, wodurch das umliegende Gewebe kaum geschädigt wird. Besonders wichtig ist dies bei der Bekämpfung von Hirntumoren, da das umliegende Gewebe besonders geschützt werden muss.
Für die Krankheitsdiagnostik wird mit dem Laser eine Blutprobe beleuchtet, sodass die darin enthaltenen Moleküle auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Fallen die Moleküle wieder auf ihr ursprüngliches Niveau ab, emittieren sie Licht in einer molekülspezifischen Wellenlänge. Durch Messen des emittierten Lichts kann die Zusammensetzung des Blutes bestimmt werden. Auf Basis von Veränderungen der Blutzusammensetzung können Krankheiten erkannt werden, darunter z.B. Krebs oder Diabetes. Da sich diese Forschung in einem frühen Stadium befindet, ist diese jedoch noch nicht regulär anwendbar.
Auf demselben Campus wie das MPQ befindet sich auch der FRM II Forschungsreaktor (Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz), ein Fissionsreaktor. Glücklicherweise konnten wir an einer Führung durch den FRM II teilnehmen und einiges über seinen Nutzen in der Forschung erfahren. Da wir nur spontan vorbeikommen konnten, war nicht sicher, ob wir einen Platz bekommen würden. Ein netter, junger Mann, der bereits einmal an der Führung teilgenommen hatte, bot uns jedoch seinen Platz an, sodass wir beide an der Führung teilnehmen konnten.
Bevor wir das Gebäude des Reaktors betreten durften, mussten wir zunächst in einem Empfangsbereich auf dem Gelände warten. Dort fiel direkt auf, dass auf dem gesamten Gelände hohe Sicherheitsvorkehrungen getroffen wurden, z.B. eine flughafenähnliche Kontrolle vor dem Einlass in den Reaktor.
Für Forschungszwecke wird ein Teil der bei der Kernspalte freiwerdenden Neutronen durch Neutronenleiter zu Experimenten geleitet. Mithilfe dieser Neutronen kann beispielsweise Materialforschung betrieben werden. Diese Forschung basiert primär auf der Spektrographie. Dabei werden Neutronen auf Objekte geschossen und das Streumuster ausgewertet. Materialforschung am FRM II ermöglicht sogar eine isotopengenaue Analyse.
Am dritten Tag des Praktikums kam Frau Dr. Silke Stähler-Schöpf mit einem Vorschlag auf uns zu. Sie bot uns an, an dem Projekt „RasQberry 2“ zu arbeiten, das von einem früheren Praktikanten begonnen wurde, in den letzten Monate jedoch im Schrank verstaubte. Das Projekt dient zur Modellierung und Simulation eines IBM Q System 2 Quantencomputers, auf Basis eines Raspberry Pi 5 Minicomputers. Zugehörig ist dabei auch ein 3D-gedrucktes Modell des Quantencomputers, sowie 3 8×8 LED-Paneele, die als Display dienen. Die algorithmischen Vorgänge eines Quantencomputers werden dabei mit dem Programm „Qiskit“ nachgebildet, sodass der Raspberry Pi verschiedene Aufgaben lösen kann. In unserem spezifischen Fall ging es um das Spiel „Lights Out“ und die Lösung dessen mit einem Quantenalgorithmus. Dabei wird der Lösungsvorgang auf den LED-Paneelen abgebildet.
„Lights Out“ ist ein logikbasiertes Knobelspiel, das auf einem Gitter aus Lampen basiert. Jede Lampe kann ein- oder ausgeschaltet sein. Wird ein Licht an oder aus geschaltet, verändert sich nicht nur dessen Zustand, sondern auch der der benachbarten Lampen (oben, unten, links, rechts). Ziel des Spiels ist es, durch eine geeignete Reihenfolge von Zügen alle Lampen mit möglichst wenigen Zügen auszuschalten. Da jeder Zug mehrere Zustände gleichzeitig beeinflusst, erfordert das Spiel strategisches Vorausdenken und systematisches Vorgehen.
Durch den vorherigen Praktikanten bestand glücklicherweise bereits eine Basis, mit der wir arbeiten konnten. Da wir zu diesem Zeitpunkt nur wenige Informationen über den Stand des Projektes hatten, führten wir zunächst eine Inventur und Tests der bestehenden Teile durch. Dabei fiel auf, dass einige Teile fehlten, als auch aufgrund von Lieferschwierigkeiten andere LED-Paneele geliefert wurden als die Empfohlenen. Weiter befand sich die Software des Projektes in einem sehr frühen Stadium, wodurch sie zum Teil fehlerhafte Bilder lieferte. Im Zuge der Arbeit am Raspberry Pi fiel zudem auf, dass die letzten 24 LEDs des letzten Paneels nicht leuchteten, sowie auch die ersten 24 LEDs des ersten Paneels dadurch beeinflusst wurden.
Unser Ziel war es nun also, den Raspberry Pi und das Spiel vernünftig zum Laufen zu bringen. Spezifischer musste die Software auf die anderen LED-Paneele angepasst, das Problem der fehlerhaften LEDs behoben und das 3D-Modell vollendet werden. Bevor wir uns auf die Suche der Fehler begeben konnten, haben wir uns erst mit dem Betriebssystem Linux und der Programmiersprache Python auseinandergesetzt, die auf dem Raspberry Pi laufen. Weder mit Linux noch mit Python hatten wir Vorkenntnisse. Fehlende Teile des 3D-Drucks konnten innerhalb einiger Stunden nachgedruckt werden.
Um die Anordnung der Lampen auf unseren LED-Paneelen anzupassen, haben wir den Code des dafür vorgesehenen Programms so abgeändert, dass jede LED wieder seinen, für das Spiel bestimmten, Platz hatte. Dazu erstellten wir einen Plan der LED-Anordnung mit den jeweiligen Indizes und änderten diese manuell im Code ab.
Auf der Suche zur Problemlösung der fehlerhaften LEDs, führten wir zunächst erneut zeitaufwendige Tests durch, um zu bestimmen, ob der Fehler seinen Ursprung in der Hardware, Software oder im Code hat. Letztendlich konnten wir den Fehler auf die Software eingrenzen, wobei wir den Eindruck hatten, dass die Menge an LEDs durch die Software begrenzt ist. Leider war es uns im Zeitraum des Praktikums nicht möglich, eine gänzliche Lösung für das Problem zu finden. Für dieses Problem sind wir zu der vorläufigen Lösung gekommen, vorerst die Anzahl der LEDs im Code auf 168 zu begrenzen, also die letzten 24 LEDs im Code zu deaktivieren. Zum Glück war dies möglich, da das Spiel lediglich 64 der 192 LEDs zum Laufen benötigt.
Mit diesem Trick konnten wir das Spiel zum Laufen bringen und das Projekt vorläufig beenden. Jedoch gelang uns keine endgültige Lösung für das eben beschriebene softwareseitige Problem. Möglicherweise findet ein zukünftiges Praktikantenteam der Auricher Wissenschaftstage eine bessere Lösung. Die Softwareentwicklung befindet sich grundsätzlich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Wenn ausgereiftere Versionen verfügbar sind, ist eine finale Lösung des Problems sicher denkbar.
Im Rahmen unseres Praktikums besuchten wir auch zweimal das Deutsche Museum, zum einen, um einen Escape Room über die synthetische Fotosynthese auszutesten, sowie am Bayerischen Quantentag teilzunehmen. Dabei erklärten wir Besuchern das Spiel „Quanten TIQ TAQ TOE“, bei dem es sich um eine erweiterte Version von TIC TAC TOE handelt. Diese fügt dem Basisspiel die Quantenphänomene Verschränkung und Superposition zu.
Am letzten Tag unseres Praktikums besuchten wir außerdem die Ausstellung der ESO Supernova, die einen tiefgreifenden Einblick in die Entstehung des Universums und die Erforschung dessen bietet.
Eine weitere Mitarbeiterin am MPQ, Sonja Ertlová, zeigte uns im Keller des Instituts noch ein Experiment mit nachweisbarbaren Einzelphotonen. Über einen Kristall, der Licht in einer nichtlinearen Weise beeinflusst, werden zeitgleich zwei Einzelphotonen erzeugt, die durch die Koinzidenzmethode nachgewiesen werden. Daraufhin wird eines der Photonen in ein Michelson-Interferometer geschickt, wobei die Interferenz von Einzelphotonen beobachtet werden kann.
Am letzten Tag des Praktikums durften wir außerdem ein weiteres Labor besichtigen, in dem Experimente mit einer Atomfalle durchgeführt werden. Dabei werden einzelne Rubidiumatome mithilfe von Lasern entschleunigt, an einem Punkt festgehalten und mit Photonen verschränkt.
Insgesamt können wir sagen, dass wir während unseres zweiwöchigen Praktikums eine große Menge an neuem Wissen und Erfahrungen sammeln durften. Das MPQ bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten, einen Einblick in die aktuelle Forschung zu erhalten, sowie die Gelegenheit, selber durch bemerkenswerte Experimente zu neuen Erkenntnissen zu gelangen. Frei an einem eigenen Projekt arbeiten zu können hat unseren Ehrgeiz zur Problemlösung geweckt und uns neue Fähigkeiten verschafft, die über die schulischen Lerninhalte hinausgehen. Unsere Ansprechpartner im PhotonLab, Frau Dr. Silke Stähler-Schöpf und ihre Mitarbeitenden Dr. Moritz Dorband, Soňa Ertlová und Henry Hill unterstützten uns in jeder Situation mit fachlicher Kompetenz und hilfreichen Ratschlägen. Dafür bedanken wir uns herzlich!
[1] Greune, J. (o. D.). PhotonLab – the MPQ student lab. MQV. Abgerufen am 22. März 2026, von https://www.mpq.mpg.de/photonlab-en
[2] Maiman, T. & K. (2004). World’s first laser out of case. Wikimedia Commons. Abgerufen am 22. März 2026, von https://commons.wikimedia.org/wiki/File:World%27s_first_laser_out_of_case.jpg
[3] Bearbeitet von Michel Altmikus, basierend auf: Graf, E. A. (2017). A view of the Garching research campus. ESO. https://www.eso.org/public/belgium-fr/images/170818035-cc/?lang=
[4] ESO & Malin, C. (2019). The ESO Supernova exhibition. ESO. https://www.eso.org/public/images/DSC_5407-CC
