An fünf Instituten werden aktuelle Fragen in den Bereichen Astronomie, experimentelle Festkörperphysik, Kernphysik, biologische Physik und theoretische Physik untersucht. Informationen zu den Forschungsarbeiten der einzelnen Gruppen finden sich auf den Seiten der Institute.

Ziel von ML4Q ist es, neue Computer- und Netzwerkarchitekturen zu schaffen, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruhen. Eine Rechen- und Vernetzungsleistung, die über alles hinausgeht, was man sich klassischerweise vorstellen kann, würde Quantencomputer zu leistungsfähigen Werkzeugen in Schlüsselbereichen wie Materialdesign, Pharmazie oder künstliche Intelligenz machen. Die Quantenkommunikation könnte wirksam abgesichert werden.
ML4Q bündelt die einzigartige Expertise der beteiligten Partner in drei Schlüsseldisziplinen der Physik (Festkörperforschung, Quantenoptik und Quanteninformation) und erweitert es, um die beste Hardware-Plattform für Quanteninformations-Technologie und Blaupausen für ein funktionales Quanteninformations-Netzwerk zu schaffen.

Im Rahmen des SFB 1601 untersuchen Forscher*innen die physikalischen Prozesse, welche die Lebensräume massereicher Sterne in unterschiedlichen galaktischen Umgebungen bestimmen. Der neue SFB verbindet vier Säulen: Laborastrophysik, Entwicklung von Instrumenten, Beobachtungen sowie theoretische Modellierung und Simulationen. Die SFB-Partner haben ein starkes Profil als führende Akteure in großen internationalen Projekten und verfügen über umfangreiche Erfahrungen in Bau und Betrieb ihrer eigenen Teleskope sowie der Entwicklung hochmoderner Instrumente im Infrarot-, Submillimeter- und Radiowellenbereich. Neue Entwicklungen, insbesondere der Start des FYST/CCAT Teleskops im Jahr 2024, an dem die Universitäten zu Köln und Bonn zu 25 Prozent beteiligt sind, werden durch SFB 1601 optimal unterstützt.

Das Ziel des SFB 1238 ist es, neuartige kollektive Phänomene in Quantenmaterialien zu entdecken, zu verstehen und zu kontrollieren, die aus dem Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung, Korrelationen und Topologie entstehen. Die daraus resultierenden Fortschritte in der Materialwissenschaft sind ein starker Treiber technologischer Innovationen und prägen so unser tägliches Leben. Vier Fokusbereiche (FAs) definieren den vielschichtigen Ansatz zur Forschung an Quantenmaterialien. Das Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung und starken Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, das zu topologischen Phasen, emergenten Eichfeldern und Fraktionierung führt, wird im FA „Spin-Bahn-dominierte Materie“ hervorgehoben. Der FA „Topologie und hybride Geräte“ untersucht neuartige Effekte, die entstehen, wenn unterschiedliche Quanten- und topologische Materialien in einem einzigen Gerät kombiniert werden. Im FA „2D-Materialien und Funktionalisierung“ wird sich die Tatsache, dass zweidimensionale Quantenmaterialien viel präziser kontrolliert werden können als ihre 3D-Gegenstücke, zunutzegemacht. Schließlich untersucht die FA „Angetriebene und aktive Materie“ die Pump-Probe- und nichtlineare Spektroskopie und präsentiert eine neue Vision der Physik fernab des thermischen Gleichgewichts, indem sie „aktive Quantenmaterie“ einführt.

Können Wege und Ergebnisse zukünftiger evolutionärer Prozesse vorhergesagt werden? Forscher*innen im SFB 1310 arbeiten an dieser Frage in sich schnell entwickelnden Systemen: mikrobielle Populationen im Labor, Viren und Immunrepertoires sowie Krebszellpopulationen. Prädiktive Ansätze für die Entwicklung der Arzneimittelresistenz und -antigenität bei Krankheitserregern und für die Immunantwort in ihren Wirten werden entwickelt. Zu den Anwendungen gehören die Entwicklung von Antibiotika, von Impfstoffen gegen Grippe und von Therapien gegen HIV und Krebs.

Ein hervorstechendes Merkmal verschränkter Quantenmaterie ist, dass die große Zahl atomarer Bestandteile, aus denen ein Festkörper besteht, sich gegenseitig vor den schädlichen Auswirkungen der Dekohärenz schützen kann. Im SFB 183 werden diese Schutzmechanismen, ihre Auswirkungen auf die Quanteninformationstheorie und die sich daraus ergebenden Perspektiven für das Design und die Realisierung von Quantengeräten erforscht. Die Entstehung und Manipulation von Verschränkung auf solchen makroskopischen Skalen hängt vom Zusammenspiel dreier Konzepte ab, die auch die Forschungsbereiche des SFB definieren: (i) Topologische Quantenmaterie, (ii) Quanteninformation und (iii) Quantengeräte. Aufbauend auf der Synergie zwischen den drei Bereichen besteht die langfristige Vision des SFB darin, die faszinierende Physik der Verschränkung näher an den makroskopischen Bereich zu bringen.

Innerhalb von QM2 arbeiten Forscher*innen aus den Bereichen Mathematik, experimentelle und theoretische Physik, anorganische und physikalische Chemie sowie Kristallographie zusammen, um die Eigenschaften von Quantenmaterie zu entschlüsseln. Die mathematischen Strukturen, die topologischer Materie zugrunde liegen, neue Materiezustände, die aus Spin-Bahn-Wechselwirkungen entstehen, Quantenmaterie fernab des thermischen Gleichgewichts, die Verwendung nanostrukturierter Materialien für ein breites Anwendungsspektrum, die Entwicklung organischer Elektronik sowie die Erforschung der Grundlagen von Quantentechnologien und Quanteninformation sind einige der für QM2 wichtigen Forschungsthemen.