Zwei Nachwuchswissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mit ihren Projekten die Gutachterinnen und Gutachter der Carl-Zeiss-Stiftung überzeugt. In den kommenden fünf Jahren können sie im Programm „CZS Nexus“ eine eigene Forschungsgruppe am KIT aufbauen. Dafür stehen ihnen jeweils rund 1,5 Millionen Euro zur Verfügung. Boris Karanov entwickelt neue Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung in optischen Kommunikationssystemen und Frank Rhein erforscht, wie sich die CO₂-Emissionen von Kryptowährungen durch physische Prozesse reduzieren lassen.

„Wir freuen uns sehr über den Erfolg von Boris Karanov und Frank Rhein“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung, Lehre und Akademische Angelegenheiten des KIT. „Dass beide Nachwuchswissenschaftler Fördermittel der Carl-Zeiss-Stiftung einwerben konnten, unterstreicht die Qualität und Aktualität ihrer Forschung.“

Digitale Signalverarbeitung in optischen Netzwerken optimieren

Mehr als 95 Prozent der globalen Daten werden über optische Netzwerke übertragen, die Anforderungen an Geschwindigkeit und Datenaustausch wachsen schnell. Mit dem steigenden Datenvolumen nehmen jedoch nichtlineare Effekte zu, welche die Signalqualität beeinträchtigen. Um diese Störungen zu reduzieren, gibt es zwei Ansätze: Klassische Algorithmen basieren auf mathematischen Modellen, die vor allem für lineare Systeme geeignet sind. Moderne Methoden hingegen nutzen Maschinelles Lernen, vor allem neuronale Netzwerke, die das Systemverhalten direkt aus den Daten analysieren. Sie können nichtlineare Phänomene modellieren, benötigen aber eine hohe Rechenleistung.

Dr. Boris Karanov vom Institut für Nachrichtentechnik des KIT möchte beide Ansätze kombinieren, um nichtlineare Zusammenhänge zu erfassen und gleichzeitig vorhandenes Wissen über optische Systeme zu nutzen. Die neuen Algorithmen wird Karanov in umfangreichen Laborexperimenten validieren. „Mit unserer Forschung wollen wir sicherstellen, dass optische Kommunikationssysteme auch bei steigendem Datenverkehr leistungsfähig bleiben“, sagt Karanov. „Unser Ansatz kann helfen, deutlich mehr Daten schneller und über längere Strecken zu übertragen – und das bei geringerem Stromverbrauch.“

CO₂-Emissionen bei Kryptowährung reduzieren

Kryptowährungen basieren meist auf einer Blockchain, einem dezentralen Kassenbuch. Im Fall von Bitcoin wird die Sicherheit der Blockchain durch den Konsensmechanismus „Proof of Work“ gewährleistet: Leistungsstarke Computer im Netzwerk konkurrieren um die Lösung komplexer mathematischer Aufgaben. Wer eine Aufgabe zuerst löst, darf einen neuen Block zur Blockchain hinzufügen und erhält dafür Bitcoins. Der hohe Energie- und Rechenaufwand macht Manipulationen teuer und unwahrscheinlich – verursacht aber auch erhebliche CO₂-Emissionen.

Dr. Frank Rhein vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik des KIT möchte das Prinzip aus der digitalen in die materielle Welt übertragen, indem er einen „Proof-of-Physical-Work“ konzipiert. Dazu entwickelt er physische Einwegfunktionen, also Prozesse, die zwar leicht auszuführen sind, aber keine Rückschlüsse auf die Eingaben zulassen. Ein Beispiel hierfür ist das Erzeugen von Pigmentstrukturen, bei dem durch das Übereinanderdrucken von Farbpigmenten einzigartige Muster entstehen. Die anschließende optische Analyse liefert ein eindeutiges Ergebnis, das sich nur durch denselben Prozess und identische Materialien reproduzieren und damit verifizieren lässt. „Ein Blockchain-Protokoll, das auf diesem Prinzip basiert, nutzt teure physische Ressourcen oder Zeit anstelle von billigem Strom“, erklärt Rhein. „Hohe Kosten setzen wirtschaftliche Grenzen und können so den CO₂-Ausstoß verringern.“

Förderprogramm CZS Nexus der Carl-Zeiss-Stiftung

Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert Forschung und Lehre in den MINT-Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik. Das Förderprogramm CZS Nexus unterstützt herausragende junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die spannende Ideen an den Schnittstellen zwischen verschiedenen MINT-Fachdisziplinen umsetzen möchten. Damit erhalten sie die Möglichkeit, eine eigene interdisziplinäre Forschungsgruppe aufzubauen und werden so auf ihrem Weg in eine wissenschaftliche Karriere unterstützt. Die Fördersumme beträgt bis zu 1,5 Millionen Euro pro Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von fünf bis sechs Jahren.

Im Dialog mit der Gesellschaft entwickelt das KIT Lösungen für große Herausforderungen – von Klimawandel, Energiewende und nachhaltigem Umgang mit natürlichen Ressourcen bis hin zu Künstlicher Intelligenz, technologischer Souveränität und demografischem Wandel. Als Die Universität in der Helmholtz-Gemeinschaft vereint das KIT wissenschaftliche Exzellenz vom Erkenntnisgewinn bis zur Anwendungsorientierung unter einem Dach – und ist damit in einer einzigartigen Position, diese Transformation voranzutreiben. Damit bietet das KIT als Exzellenzuniversität seinen mehr als 10 000 Mitarbeitenden sowie seinen 22 800 Studierenden herausragende Möglichkeiten, eine nachhaltige und resiliente Zukunft zu gestalten. KIT – Science for Impact.