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Patent

Mit Stift, Papier und Rechenkunst

Hans Peter Büchler forscht an Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung.
[Foto: Universität Stuttgart/ Uli Regenscheit]

Hans Peter Büchler ist Professor für theoretische Physik und Leiter des gleichnamigen Instituts an der Universität Stuttgart. Dank Fördermitteln des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) konnte er 2016 seine Arbeitsgruppe ausbauen, die sich mit quantenmechanischen Vielteilchensystemen befasst. Den Schweizer reizt es, haarklein nachzuvollziehen und zu erklären, wie komplexe Systeme funktionieren.

Licht geht ungehindert durch anderes Licht hindurch. Das klingt so banal, dass man sich darüber im Alltag keine Gedanken macht. Doch dieser „Nichtangriffspakt“ zwischen den Photonen stellt für mögliche künftige Anwendungen ein echtes Problem dar: Wie sollen schnelle Computer eines Tages mit einzelnen Lichtteilchen rechnen können, wenn diese untereinander gar nicht wechselwirken? Zum Glück haben Physiker inzwischen Mittel und Wege gefunden, diesem Problem beizukommen. So ist es im Labor möglich, die Photonen untereinander zur Wechselwirkung zu zwingen. Dazu werden Lichtteilchen in ein geeignetes Medium geschickt, wo sie Atome anregen. Aufgrund der Quantennatur der Photonen in Kombination mit den angeregten Atomen lässt sich nun eine Interaktion erwirken, die die Physiker über die geeignete Wahl der Rahmenbedingungen für das Experiment gezielt steuern können. Das Ganze ist – man ahnt es bereits – ziemlich komplex und klappt weder experimentell reibungslos noch ist es theoretisch im Detail verstanden.

 (c) Universität Stuttgart/ Uli Regenscheit
Prof. Peter Büchler, Leiter des Instituts für theoretische Physik III der Universität Stuttgart, versucht mit seiner Arbeitsgruppe, die Abläufe in quantenmechanischen Vielteilchensystemen mathematisch möglichst präzise zu beschreiben.

Erstes Gebot: Komplexität reduzieren

Auftritt Hans Peter Büchler. Der Professor ist Leiter des Instituts für theoretische Physik III der Universität Stuttgart und – nomen est omen – der Mann für die Theorie. Mit seiner Arbeitsgruppe versucht er, die Abläufe in quantenmechanischen Vielteilchensystemen mathematisch möglichst präzise zu beschreiben. „Um die Frage zu beantworten, was mit den Photonen in diesen Systemen passiert, muss man Gleichungen für eine sehr große Anzahl quantenmechanischer Teilchen ausrechnen“, verdeutlicht Büchler die Aufgabe: „So etwas ist nicht mehr exakt lösbar.“ Daher geht es ihm um die Frage, wie sich die Komplexität reduzieren und die Physik des Vielteilchensystems trotzdem korrekt beschreiben lässt – wenigstens für einige Spezialfälle. „Manchmal ist es schon eine Herausforderung, die Problemstellung mathematisch so zu formulieren, dass sie sich überhaupt lösen lässt.“

Büchler bedient sich analytischer Methoden, um Gleichungen so umzuformen, dass am Ende eine Lösung steht. „Natürlich arbeiten wir auch mit numerischen Verfahren, versuchen also Näherungslösungen mit dem Computer zu finden“, sagt Büchler. „Wenn wir hier alleine nicht weiterkommen, sind die Spezialisten für bestimmte numerische Methoden unsere Ansprechpartner, denn Programmcode steht nie im Vordergrund unserer Arbeit.“ Und so kommt es, dass Büchlers Arbeitsgruppe häufig ganz analog mit Stift und Papier oder an der Tafel arbeitet; er selbst beziffert 90 Prozent seiner „Rechentätigkeit“ als analytisch.

Physiker aus und mit Leidenschaft

Von Mathematik sei er schon früh fasziniert gewesen, sagt der 44-Jährige, „sie ging mir immer spielend von der Hand“. Aufgewachsen ist Büchler in der Ostschweiz: in Wattwil, einer weitläufigen Gemeinde mit einigen Tausend Einwohnern, 40 Autokilometer bis St. Gallen, der Säntis nur 20 Kilometer Luftlinie entfernt. Die Physik erlebte er als Gymnasiast hingegen als „fürchterlichen Unterricht“. Und das, obwohl sie ihn ebenfalls fesselte. „Fragte man den Lehrer etwas, das über den Schulstoff hinausging, dann bekam man zu hören, dass das alles viel zu kompliziert sei.“ Mancher hätte sich mit dieser Antwort abgefunden, für Büchler hingegen war sie Antrieb, „selbst herauszufinden, was es zum Beispiel mit der Relativitätstheorie auf sich hat“.

Nach dem Abitur studierte er Physik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule ETH Zürich. „Mathematik und Physik waren dort zu Beginn des Studiums eng miteinander verwoben, das kam mir entgegen“, erzählt Büchler. Dass es in Richtung theoretische Physik gehen würde, war ihm bereits früh klar: „Dort kann man die Dinge wirklich von Grund auf verstehen.“ Die String-Theorie hätte er sich als künftiges Forschungsgebiet vorstellen können, „aber in einer Vorlesung überzeugte mich ein Professor davon, mit der theoretischen Physik lieber ein Gebiet zu wählen, dessen Berechnungen sich irgendwann mal überprüfen lassen“. Der Professor war Gianni Blatter, bei dem Büchler später über festkörperphysikalische Themen seine Diplom- und Doktorarbeit schrieb. 2004 wechselte er als Postdoc in die Arbeitsgruppe des theoretischen Physikers Peter Zoller, Professor an der Universität Innsbruck. Drei Jahre danach trat Büchler in Stuttgart seine W3-Professur am Institut für Theoretische Physik III an. Er war 33 Jahre alt, seit Beginn seines Studiums waren gerade einmal 13 Jahre vergangen.

Was zählt, sind kluge Köpfe

Sechs Jahre wollte er hier bleiben, inzwischen sind es mehr als zehn. „Es heißt ja immer, dass die Schwaben keine Kölner sind“, sagt Büchler mit einem Augenzwinkern. „Aber ich bin hier gut aufgenommen worden und erlebte die Schwaben von Anfang an als offen.“, Stuttgart sei ein großes Dorf – und das meint er positiv. Doch nicht nur die Region hat es ihm angetan, sondern vor allem „die sehr gute, sehr produktive Zusammenarbeit“ mit den Experimentalphysikern in Stuttgart. „Da entstehen neue Ideen und Rechnungen für Experimente, die auch für einen Theoretiker interessant sind.“ Nach dem frühen Tod des Institutsleiters Professor Alejandro Muramatsu übernahm Büchler im vergangenen Herbst offiziell dessen Funktion.

Im Jahr 2016 bekam Büchler Mittel durch die EU zur Verfügung gestellt. Die Fördersumme des sogenannten ERC Consolidator Grant beläuft sich auf insgesamt bis zu zwei Millionen Euro. Viel Geld für eine Theoriegruppe in der Grundlagenforschung, die keine Investitionen in aufwendige Experimente tätigen muss, sondern mit Computer, Papier, Tafel und Stift auskommt. Also hat Büchler auch nur das beantragt, was er wirklich braucht, und das fließt in der Hauptsache in Personalkosten. Denn wie meistens in der theoretischen Forschung, ist hier wenige die Ausstattung entscheidend, als vielmehr ein fähiges Team an Mitarbeitern. Dass Büchler auch hier darauf achtet, im Rahmen zu bleiben, liegt nur am Rande an der abgefärbten schwäbischen Sparsamkeit. Der Hauptgrund ist, dass der Professor einfach zu gerne selbst rechnet, als sich nur mit Managementaufgaben befassen zu wollen.

Michael Vogel

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Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen