Keine Information ohne Physik. Information wird immer physikalisch repräsentiert, sei es durch die Druckerschwärze auf einem Blatt Papier oder durch die Magnetisierung einer Festplattenoberfläche. Die Verarbeitung von Information unterliegt damit den Gesetzen der Physik. Die Eigenschaften von Kleinstobjekten, wie etwa einzelner Atome, lassen sich jedoch nicht mehr mit den Modellen der klassischen Physik beschreiben, sondern erfordern eine quantenphysikalische Behandlung. Entsprechend gehorcht auch Information nicht mehr den Gesetzen der klassischen Informationstheorie, wenn sie durch Zustände kleinster Systeme, wie zum Beispiel die Polarisierung einzelner Lichtteilchen, repräsentiert wird.

Hier setzen Renato Renner, Assistenzprofessor am Institut für Theoretische Physik der ETH Zürich, und seine Forschungsgruppe an. Ziel des Projektes «Generalized Quantum Information Theory» ist es, die theoretischen Grundlagen weiterzuentwickeln, die zur korrekten Behandlung solcher quantenphysikalisch repräsentierter Information erforderlich sind. Und diese Grundlagen könnten schon bald zum Einsatz kommen. Experimentalphysiker – insbesondere an der ETH – arbeiten nämlich momentan intensiv an der Realisierung von Geräten, die sich Quanteneffekte zur Informationsverarbeitung zu Nutze machen.

Proteinfabriken und Erdkrustenverformungen

Keine Zellen ohne Ribosomen. Die in allen Lebewesen vorkommenden molekularen Maschinen stellen Proteine her, indem sie die Instruktionen dazu aus dem genetischen Code herauslesen. Auf der Schnittstelle zwischen Genetik, Biochemie und Zellbiologie untersucht die Forschungsgruppe von Vikram Panse, Professor am Institut für Biochemie der ETH Zürich, wie die Zellen diese universellen Proteinfabriken überhaupt konstruieren. «Mit dem ERC Starting Grant können wir die Geheimnisse des Ribosomen-Bauplans lüften», so Panse. Denn noch liegt im Dunkeln, wie die Zellen sicherstellen, dass ausschliesslich makellos zusammengesetzte Ribosomen mit der Proteinherstellung beauftragt werden. «Unsere Gruppe», fasst Panse zusammen, «will allgemein besser verstehen lernen, wie komplexe biologische Strukturen in lebenden Zellen aufgebaut werden.»

Kein Berg ohne Bewegung. Wie sind eigentlich die Alpen entstanden? Und wie der Himalaya? Die Bewegungen der Lithosphäre – der Erdkruste und eines Teils des äusseren Erdmantels – bewirken die verschiedensten geodynamischen Prozesse: Vulkane brechen aus, die Erde bebt, Berge entstehen. Da sich diese Deformation über Millionen von Jahren hinzieht, kann sie nur bedingt im Labor nachgestellt werden. Deshalb arbeitet Boris Kaus, Assistenzprofessor am Institut für Geophysik der ETH Zürich, gemeinsam mit seiner Forschungsgruppe an einer neuartigen Computersoftware. Auf Hochleistungsrechnern errechnete Modelle sollen die lithosphärischen Formveränderungen nachstellen – mit besonderer Berücksichtigung der nicht immer linearen Fliesseigenschaften der Gesteine. «Wir wollen mechanisch konsistente Szenarien liefern», sagt Boris Kaus, «und dadurch Gebirgsmassive wie die Alpen oder den Jura besser verstehen lernen.»

Verbesserte Katalysatoren und präzisere Simulationen

Keine Reaktion ohne den passenden Katalysator. Der Chemiker Nicolai Cramer und seine Forschungsgruppe aus dem Laboratorium für Organische Chemie der ETH Zürich untersuchen den wichtigsten Aspekt der organischen Synthese: die selektive Knüpfung neuer chemischer Bindungen. Die beiden am häufigsten vorkommenden Bindungen, Kohlenstoff-Wasserstoff- und Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen, sind für chemische Reaktionen meistens zu träge. Dank speziellen Metallkatalysatoren können sie jedoch trotzdem genutzt werden. Dieses effiziente Verfahren revolutioniert die Herstellung organischer Moleküle, wie sie beispielsweise für pharmazeutische Wirkstoffe benötigt werden. «Mit unserem Projekt wollen wir die Entwicklung verbesserter Katalysatoren vorantreiben und deren Anwendungsmöglichkeiten breiter zugänglich machen», so Cramer.

Keine Praxis ohne Theorie. Charalampos Anastasiou, Professor am Institut für Theoretische Physik der ETH Zürich, interessiert sich für die theoretische Simulation von Interaktionen von Elementarpartikeln in Experimenten mit Teilchenbeschleunigern. Mit seiner Forschung will er neue mathematische und computerbasierte Methoden entwickeln, mit denen sich solche Interaktionen viel präziser als bis anhin simulieren lassen. Im Fokus seiner Forschung liegt der Large Hadron Collider (LHC), der Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum CERN. Bei den Experimenten im LHC spielt die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) eine grosse Rolle. Sie beschreibt unter anderem die Wechselwirkungen von Quarks in Protonen. Da die QCD eine sehr komplexe Theorie ist, existieren dafür keine exakten Lösungen. Anastasiou will nun mit seinem Projekt ein bereits bestehendes Näherungsverfahren stark verbessern.

Krebs, Ernährung und der Sprung in die Limmat

Kein Krebs ohne Ursache. Shana Sturla, Professorin am Institut für Lebensmittelwissenschaften, Ernährung und Gesundheit der ETH Zürich, erforscht den Einfluss von Nahrungskomponenten auf Krankheitsentwicklung, -prävention und -therapie. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Effekt von potentiell krebserregenden Stoffwechselprodukten. Sturlas Forschung beinhaltet einen möglicherweise bahnbrechenden Ansatz zur Aufklärung des Reaktionsmechanismus krebserregender chemischer Substanzen in unserem Organismus. Ein Verständnis dieser Mechanismen könnte in Zukunft ein diagnostisches Werkzeug liefern, um Veränderungen in unseren Zellen, die durch Interaktionen zwischen unseren Genen und der Umwelt entstehen, frühzeitig zu erkennen. Shana Sturlas Reaktion auf die stattlichen Fördergelder des Europäischen Forschungsrates soll an dieser Stelle stellvertretend für die Freude aller ERC Starting Grantees der ETH Zürich stehen: «Ich war ganz aus dem Häuschen, raste mit dem Fahrrad den Hügel hinab und sprang zum ersten Mal in die Limmat.»