Physik Journal 11 / 2023

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Schwerpunkt Quantencomputing

Schwerpunkt 25 Jahre Arbeitskreis Chancengleichheit

Ein solcher „Kronleuchter“ verbirgt sich hinter dem glänzenden Glas des IBM Quantum System One. (Bild: IBM, vgl. S. 54)


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Meinung

Von Gleichstellung zu VielfaltCornelia Denz11/2023Seite 3

Von Gleichstellung zu Vielfalt

25 Jahre auf dem Weg zur Chancengleichheit in der Physik

Aktuell

Kerstin Sonnabend11/2023Seite 6DPG-Mitglieder

Physik-Nobelpreis: Die kürzesten Momente einfangen

Kerstin Sonnabend11/2023Seite 7DPG-Mitglieder

Chemie-Nobelpreis: Auf den Punkt gebracht

Maike Pfalz11/2023Seite 8DPG-Mitglieder

Hamburg unterstützt PETRA

Alexander Pawlak11/2023Seite 8DPG-Mitglieder

Friedensnobelpreis: Frau – Leben – Freiheit

Kerstin Sonnabend11/2023Seite 10DPG-Mitglieder

Highlights der Physik: Mit voller Kraft voraus

Alexander Pawlak / AIP11/2023Seite 11DPG-Mitglieder

Sonnenobservatorium in neuem Glanz

Stefan L. Wolff11/2023Seite 12DPG-Mitglieder

Gedenktafel für Gertrud Rothgießer

Alexander Pawlak11/2023Seite 12DPG-Mitglieder

Integrität und Datenschutz

Kerstin Sonnabend11/2023Seite 13DPG-Mitglieder

Kurze Amtszeit, viele Aufgaben

Matthias Delbrück11/2023Seite 14DPG-Mitglieder

Wachsender Diamant

Matthias Delbrück11/2023Seite 14DPG-Mitglieder

Beschleunigung für die Forschung

Maike Pfalz11/2023Seite 15DPG-Mitglieder

Den Nordhimmel im Blick

Matthias Delbrück11/2023Seite 16DPG-Mitglieder

USA: Erstes (Röntgen-)Licht; Kosmische Paketzustellung

Anja Hauck11/2023Seite 17DPG-Mitglieder

Observatorium wieder geöffnet

Alexander Pawlak11/2023Seite 17DPG-Mitglieder

Psyche sucht Heavy Metal

Maike Pfalz / CERN11/2023Seite 18DPG-Mitglieder

Ein Tor zur Wissenschaft

High-Tech

Michael Vogel11/2023Seite 20DPG-Mitglieder

Kompromisslos schnell; Besser versorgte Mütter; Analyse von Altkleidern

Brennpunkt

Sauerstoff ohne doppelte MagieThomas Baumann11/2023Seite 22DPG-Mitglieder

Sauerstoff ohne doppelte Magie

Der erstmalige Nachweis von 28O zeigt, dass das Sauerstoffisotop entgegen der Erwartung kein doppelt-magischer Atomkern ist.

Schwerpunkt Quantencomputing

Eine kurze Geschichte des Quantenrechnens von gestern bis morgenJens Eisert, Paul K. Fährmann und Matthias C. Caro11/2023Seite 25

Eine kurze Geschichte des Quantenrechnens von gestern bis morgen

Die Anfänge des Quantencomputings reichen rund 30 Jahre zurück, aber um dessen volles Potenzial auszuschöpfen, sind noch etliche Forschungsanstrengungen notwendig.

Durch den Mitte der 1990er-Jahre vorgestellten Shor-Algorithmus zur Primfaktorzerlegung erhielt das theo­retische Feld des Quantenrechnens auch außerhalb der Wissenschaft Aufmerksamkeit. Dies führte zu einer krea­tiven Explosion des Forschungsfeldes. Etwa 30 Jahre später können erste Quantenchips simple Quanten­algorithmen ausführen. Um hierfür praktische Anwendungen zu finden, bedarf es weiterhin gründlicher Forschung. In diesem Artikel zeichnen wir die Entwicklungen dieses spannenden Feldes nach und zeigen vielversprechende Forschungsrichtungen auf.

Alan Turing schrieb Weltgeschichte als der erste Forscher, dem es gelang, mit „Turochamp“ ein Computerprogramm für Schach zu schreiben und gleichzeitig die Grundlagen der künstlichen Intelligenz zu schaffen. Sein Team war es auch, das die Enigma-Verschlüsselungsmaschine der Nationalsozialisten im zweiten Weltkrieg knackte, mit den bekannten, erheblichen Konsequenzen. Für die Informatik war Turing, nach dem heute das Nobelpreis-Äquivalent für Informatik benannt ist, eine wissenschaftliche Lichtgestalt als jener, der die Grund­lagen für moderne Computer legte: Die A-Maschine, wie er sie nannte, war ein mit Papier und Bleistift konzipierter, einfachst möglicher Computer, der dennoch beliebige rechnerische Aufgaben bewältigen konnte. Diese Turing-Maschine war weniger eine echte Rechenmaschine, sondern eher ein paradigmatisches Gedankenmodell eines Computers: Sie umfasst einen verschiebbaren Schreib- und Lesekopf, ein Programm und ­einen Speicher, der durch ein Band repräsentiert wird. Auch wenn dieses Modell einfach anmuten sollte: Das Rechnermodell selbst der modernsten klassischen Superrechner lässt sich auf solche Turing-Maschinen zurückführen. (...)


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Kriterien für die RealisierungFrank K. Wilhelm-Mauch und Alexander Simm11/2023Seite 33DPG-Mitglieder

Kriterien für die Realisierung

Die Physik des Baus von Quantencomputern

Quantencomputing und die dort postulierten Algorithmen versprechen eine qualitative Beschleunigung bestimmter Rechnungen. Dies gelingt aber nur mit entsprechenden physikalischen Geräten. Um diese zu bauen, muss es gelingen, etwas aus der Quantenphysik zu steuern und zu kontrollieren.

Quanteneffekte in nutzbaren Geräten sind schon gang und gäbe, z. B. in Transistoren, Lasern oder Kernspintomographen. Allerdings sind dies Effekte von Ensembles vieler Quantensysteme, etwa aller Elektronen, welche die Bandstrukturlandschaft des Transistors durchlaufen. Die Spannung an den Klemmen des Transistors ist weiterhin eine klassische Variable. In Quantentechnologien der zweiten Generation wie dem Quantencomputer werden auch einzelne Quantensysteme technisch angesprochen und der Informationsaustauch ist ebenfalls quantenphysikalisch.
Die Entwicklung und der Bau solcher Quantengeräte finden in verschiedenen Plattformen statt, wie die Artikel von Stefan Filipp und Gian Salis beziehungsweise von Wolfram Pernice und Co-Autoren in diesem Heft zeigen. Hier geht es darum, Gemeinsamkeiten im Verständnis der Physik dieser Plattformen zu diskutieren. Ausgangspunkt sollen diejenigen Kriterien sein, die David DiVincenzo um die Jahrtausendwende als Leitfaden für potenzielle Quantencomputingplattformen formulierte [1]. Sie sind bewusst unquantitativ gehalten, da sich die quantitativen Kriterien mit dem wissenschaftlichen Fortschritt verschoben haben. Sie stellen folgende Anforderungen an eine Plattform für einen Quantencomputer: (...)

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Die leuchtende Zukunft optischer QuantencomputerEmma Lomonte, Carsten Schuck und Wolfram Pernice11/2023Seite 38DPG-Mitglieder

Die leuchtende Zukunft optischer Quantencomputer

Photonen sind eine vielversprechende Möglichkeit, um Qubits zu realisieren.

Photonen besitzen herausragende Kohärenzeigenschaften und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Damit eignen sie sich prinzipiell gut zur Realisierung eines Quantencomputers. Doch die geringe gegenseitige Wechselwirkung schränkt die Berechnungsmöglichkeiten ein. Inzwischen gibt es aber erste vielversprechende photonische Quantenprozessoren.

Die Idee des Quantencomputings geht auf Richard Feynman zurück, der im Mai 1981 einen Computer ganz anderer Art vorschlug. Sein Argument war einfach: Es ist schwierig, Vielkörper-Quantenprobleme mit klassischen Rechenverfahren zu lösen, weil die Rechenzeit exponentiell mit der Systemgröße steigt. Stattdessen hielt er die Entwicklung eines Quantencomputers für die natürliche Wahl, nicht ohne bei vielen Kollegen, die mit dem Konzept von Dekohärenz und der Empfindlichkeit von Quantenzuständen vertraut waren, Skepsis hervorzurufen. Die Idee gewann erst an Popularität, als der britische Physiker David Deutsch erkannte, dass Quantencomputer auch klassische Probleme poten­ziell viel schneller lösen könnten als herkömmliche Rechner.  
Parallele Entwicklungen zu Frequenzstandards und Spektroskopie führten zu technologischem Fortschritt bei Ionenfallen [1]. Diese lieferten den Startschuss für die experimentelle Realisierung von Quantencomputern. Seit Ende des 20. Jahrhunderts gibt es viele unterschiedliche Ansätze, um einen vollwertigen Quantencomputer zu realisieren. Neben Ionenfallen sind insbesondere supraleitende elektrische Schaltkreise vielversprechend. (...)

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Mit Supraleitung und SpinStefan Filipp und Gian Salis11/2023Seite 42DPG-Mitglieder

Mit Supraleitung und Spin

Festkörperbasierte Lösungen ermöglichen Systeme mit mehr als hundert Qubits.

Der eindrucksvolle Fortschritt in der gezielten Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen und deren Kontrolle im Quantenregime hat es erlaubt, Qubits in festkörperbasierten Plattformen herzustellen, die sich mit äußerst geringen Fehlerraten und innerhalb weniger Nano­sekunden manipulieren lassen. Supraleitende Quantenschaltkreise oder Spins einzelner Elektronen in Halbleitern gelten als vielversprechende Kandidaten, um Quanteninformation zu verarbeiten; Fehlstellen in kristallinen Strukturen finden als Quantensensoren Verwendung, Spin-Ensembles als Speicher für die Quantenkommunikation. Mit supraleitenden Quantenschaltkreisen lassen sich bereits heute Systeme mit mehr als hundert Qubits bauen und betreiben. Doch vor der effizienten Lösung praktischer Probleme gilt es, einige Hürden zu überwinden. Im Folgenden beleuchten wir die Funktionsweise von supraleitenden und Spin-Qubits und beschreiben die gemeinsamen Herausforderungen.

Qubits basierend auf supraleitenden Quantenschaltkreisen gelten derzeit als eine der am weitesten entwickelten Technologien für den Bau eines Quantencomputers. Durch die geeignete Anordnung von Josephson-Kontakten und supraleitenden Elektroden entstehen nicht-lineare Schwingkreise mit einer typischen Resonanzfrequenz im Mikrowellenbereich. Der Josephson-Kontakt, den eine dünne normalleitende Schicht als Tunnelbarriere zwischen zwei Supraleitern erzeugt (Abb. 1), sorgt dabei dank seiner nichtlinearen Induktivität für ungleichmäßige Abstände der Energieniveaus des Schwingkreises. Somit lassen sich die beiden niedrigsten Energieniveaus durch Mikrowellenpulse adressieren, ohne dabei weitere Übergänge zu treiben. Dadurch entsteht ein Zwei-Niveau System mit dem Grundzustand |0〉 und dem angeregten Zustand |1〉: ein Qubit, das als Grundbaustein eines Quantencomputers dienen kann (Abb. 2). (...)

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Algorithmen für neue HardwareMario Berta11/2023Seite 46DPG-Mitglieder

Algorithmen für neue Hardware

Quantenalgorithmen lösen nur bestimmte Rechenprobleme signifikant effizienter als klassische Algorithmen.

Bei der Lösung gewisser rechenintensiver Probleme könnten neuartige Computer mit quantenmechanischen Hardware-Elementen effizienter arbeiten als klassische Supercomputer. Forschungsteams aus Wissenschaft und Industrie suchen nach praxisrelevanten Quantenvorteilen und passenden Quantenalgorithmen.

Computer werden jedes Jahr leistungsstärker: Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich seit den 1970er-Jahren die Anzahl der Transistoren auf einem Prozessor ungefähr alle zwei Jahre. Weil damit eine exponentielle Verkleinerung der einzelnen Bausteine einhergeht, zeigen sich mittlerweile quantenmechanische Effekte. Die grundlegende Idee von Quantencomputern ist es, solche Quanteneffekte nicht wie beim modernen Chipdesign zu minimieren, sondern diese kontrolliert einzusetzen, um konzeptuell neue Rechenschemata zu ermöglichen.
Schon in den 1980er-Jahren brachte Richard P. Feynman erstmals die visionäre Idee auf, mikroskopisch kleine Systeme wie einzelne Moleküle mit quantenmechanischen Chips anstelle von klassischen Computern zu simulieren [1]. Konkrete effiziente Algorithmen für solche Quantenchips waren jedoch zu dieser Zeit noch nicht bekannt. Rund zehn Jahre später hat Peter W. Shor einen Quantenalgorithmus für ein anderes Problem präsentiert: die Primfaktorzerlegung. Der Shor-Algorithmus zeigte erstmals einen klaren komplexitätstheoretischen Quantenvorteil gegenüber den besten bekannten Algorithmen für klassische Computer [2]. (...)

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Von Code zu MaschinenspracheMarius Hillenbrand11/2023Seite 50DPG-Mitglieder

Von Code zu Maschinensprache

Programme für supraleitende Qubits lassen sich mithilfe spezieller Quantencompiler übersetzen.

Quantencomputer speichern und verarbeiten Information als Zustände quantenmechanischer Systeme. Bestimmte Probleme könnten sich mit Quantenalgorithmen deutlich effizienter lösen lassen als mit konventionellen digitalen Computern. Damit Quantencomputer als verlässliche Arbeitsgrundlage in Industrie und Forschung zum Einsatz kommen können, müssen sich diese vom Experiment zum kommerziellen Produkt weiterentwickeln. Das erfordert ein interdisziplinäres Team aus Physik, Materialwissenschaft, Elektrotechnik, Informatik und vielen weiteren Gebieten, beispielsweise um die Ansteuerung der Qubits in digitale Systeme zu integrieren. Als wesentlicher Baustein gilt ein Compiler, der einen abstrakten Quantenalgorithmus auf die komplexen Programmabläufe in der Kontrollelektronik des Quantencomputers abbildet.

Ein Compiler für konventionelle Computer übersetzt einen Quellcode aus einer Programmiersprache, die ein Mensch schreiben und lesen kann, schrittweise in binär kodierte Maschinenbefehle. Diese liest der Prozessor iterativ aus seinem Speicher und führt sie aus; der Speicher enthält gleichzeitig die zu verarbeitenden Daten und die auszuführenden Befehle. Über Jahrzehnte haben sich Techniken etabliert, um solche Compiler zu bauen. Im noch jungen Feld der Quantencomputer stellen sich neue Herausforderungen: Die Daten als Quantenzustand und der Programmspeicher liegen räumlich und organisatorisch getrennt vor. Der Quelltext und die resultierenden Maschinenbefehle unterscheiden sich semantisch viel mehr als in einem konventionellen Computer: Der Quantencomputer wird nicht direkt programmiert, sondern mittels eines digi­talen Computers, der Qubits über analoge Signale ansteuert. Dieser Artikel beschreibt die Reise eines Programms durch einen Quantencompiler bis zur Ausführung auf einem System auf Basis supraleitender Qubits. (...)

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Forum

Der Falke ist gelandetMaike Pfalz11/2023Seite 54DPG-Mitglieder

Der Falke ist gelandet

Europas erster kommerzieller Quantencomputer steht auf dem Gelände von IBM in Ehningen nahe bei Stuttgart.

Nur wenige Leuchten tauchen den Raum in schummriges Licht und geben den Blick durch die große Glasscheibe frei in den Nebenraum. Auch der ist fast komplett dunkel und leer bis auf einen drei Meter hohen Glaskasten. Darin hängt – angeleuchtet! – ein schwarz-glänzender Zylinder. Fast sieht es aus, als würde dort ein kleines Ufo landen. Doch weit gefehlt: Es handelt sich um das erste IBM Quantum System One in Europa. Betreten darf man den Raum mit dem Quantencomputer nicht – der Zugang ist streng gesichert. Denn die Technologie in dem schwarzen Kasten ist geistiges Eigen­tum der Firma IBM, die das System auf ihrem Gelände in Ehningen aufgestellt hat; die Fraunhofer-Gesellschaft nutzt das System exklusiv.

Die frühere Bundeskanzlerin Angela Merkel hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass der Quantencomputer nun auf deutschem Boden steht: Im Januar 2019 traf sie auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos die damalige IBM-Chefin Virginia Rometty und befragte sie zum Stand des Quantencomputings und seinen Einsatzmöglichkeiten. Mit der Fraunhofer-Gesellschaft fand sich noch im gleichen Jahr ein Partner, der Forschungseinrichtungen und Unternehmen den Zugang zum Quantencomputer zur Verfügung stellt. Beim nächsten Treffen zwischen Merkel und Rometty im Berliner Kanzleramt im September des gleichen Jahres war schon alles unter Dach und Fach: Kurz zuvor hatten IBM und die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Zusammenarbeit beim Quantencomputing verkündet.
Doch bis zur offiziellen Einweihung war es noch ein holpriger Weg. Als die IBM-Mitarbeitenden vom Standort Ehningen im März 2020 in die USA fliegen wollten, um sich das dortige System anzuschauen und von den Kolleginnen und Kollegen vor Ort mehr über den Aufbau und Betrieb eines solchen Systems zu lernen, kam ihnen die Corona-Pandemie in die Quere: „Unsere Flüge waren schon gebucht, aber dann wurden sämtliche Reisen gestrichen“, erinnert sich Sven Peyer, der als Manager für die Quantum-Hardware-Entwicklung bei IBM in Böblingen tätig ist und mit seinem Team am Aufbau des Systems in Ehningen beteiligt war. Stattdessen haben die Teams in Deutschland sich alles remote zeigen lassen müssen. (...)

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„Quantencomputing könnte  vieles bewirken“Maike Pfalz11/2023Seite 58DPG-Mitglieder

„Quantencomputing könnte vieles bewirken“

Interview mit Dr. Heike Riel, Leiterin von IBM Research Quantum Europe in Zürich

2016 hat IBM als erstes Unternehmen einen Quantencomputer – mit damals fünf Qubits – in der Cloud weltweit kostenlos verfügbar gemacht. 2021 wurde nahe Stuttgart der erste kommerzielle Quantencomputer Europas eingeweiht. Vor wenigen Monaten zeigten Wissenschaftler von IBM, dass Quantencomputer nützliche Ergebnisse für Probleme liefern können, die die besten skalierbaren klassischen Methoden überfordern. Bei der Entwicklung von Quantencomputern auf Basis supraleitender Qubits ist IBM – neben Google – weltweit führend.

Seit wann ist Quantencomputing ein Thema bei IBM?

Mit Quantencomputing beschäftigen wir uns seit den 1980er-Jahren, als Richard Feynman seine Idee eines Quantencomputers skizzierte. Charlie Bennet und Rolf Landauer arbeiteten ab den 70ern zur Quanteninformationstheorie, und Mitte der 90er-Jahre veröffentlichte David DiVincenzo, der heutige Direktor des Peter-Grünberg-Instituts am Forschungs­zentrum Jülich, seine grundlegenden Kriterien für die Realisierung eines Quantencomputers.

Die Entwicklung eines Quantencomputers braucht also einen langen Atem.

Wir hatten stets exzellente Persönlichkeiten im Team, die die Forschung in Theorie und Praxis konsequent voran­getrieben und von einem guten Umfeld mit hervorragender Infrastruktur profitiert haben.

Welche Meilensteine gab es?

Es gab viele. Ein wichtiger war 2016 der Quantenprozessor in der Cloud. Seitdem ist die Entwicklung auf allen Ebenen rasant vorangeschritten – mit Verbesserungen in der Qubit- und Quantenprozessortechnologie, der Steuerelektronik, der Software und den Algorithmen sowie Verfeinerungen der Anwendungen, die sich mit relevanten Problemen in Wissenschaft und Wirtschaft befassen. Ein Meilenstein war auch die Entdeckung der Fehlermitigation 2017. (...)


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DPG – 25 Jahre Arbeitskreis Chancengleichheit

Auch heute noch notwendig?Beate Klösgen und Agnes Sandner11/2023Seite 60

Auch heute noch notwendig?

Vor 25 Jahren wurde der Arbeitskreis Chancengleichheit in der DPG gegründet.

Anfang der 1990er-Jahre gab es in Deutschland nur wenige Frauen in der Physik: 13 Prozent der Studierenden im ersten Semester waren weiblich; der Frauenanteil bei den Diplomabschlüssen betrug 9 Prozent, bei den Professuren nur 0,7 Prozent. Seitdem hat sich einiges getan, aber ist bereits Chancengleichheit erreicht?

Einige wenige Physikerinnen organisierten zum Austausch untereinander Stammtische. Daraus entstand im Jahr 1997 ein bundesweites Treffen in Berlin, die erste Deutsche Physikerinnen­tagung (DPT). Diese fand außerhalb der bekannten DPG-Tagungen statt, aber der damalige DPG-Präsident Alexander Bradshaw unterstützte die Gründung eines Arbeitskreises für Physikerinnen. So erfolgte die Gründung des Arbeitskreises Chancengleichheit (AKC) auf der zweiten DPT in Hamburg (Abb. 1). Von da an gab es innerhalb der DPG einen Raum für die besondere Situation der Physikerinnen.

Zuvor war für viele Physikerinnen die Mitgliedschaft in der DPG als „Standesorganisation der Physik“ nicht attraktiv. Die DPG war für sie kein „Wohlfühlort“. Nach der Gründung des AKC jedoch standen Physikerinnen Schlange, um in die DPG einzutreten und AKC-Mitglied zu werden. Am Tresen mit den (analogen) Antragsformularen bildete sich eine Traube von Frauen. Es herrschte eine freudige, fast ausgelassene Aufbruchstimmung! Mittlerweile ist der AKC etabliert und feiert in diesem Jahr sein 25-jähriges Bestehen. (...)

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Agnes Sandner und Monika Bessenrodt-Weberpals11/2023Seite 64DPG-Mitglieder

Empowerment durch Vernetzung

Der Arbeitskreis Chancengleichheit hat ein breites Portfolio an Workshops initiiert.

Ruzin Aganoglu, Ulrike Böhm und Agnes Sandner11/2023Seite 66DPG-Mitglieder

„Ambitionen beflügeln“

Vorbilder spielen eine wichtige Rolle für den Karriereweg von Frauen in der Physik.

Physik im Alltag

Gut gedämmtDenise Müller-Dum und Jens Kube11/2023Seite 68DPG-Mitglieder

Gut gedämmt

Eine Wärmedämmung hilft im Winter, Heizkosten zu sparen und die Gefahr von Schimmelbildung zu reduzieren.

Menschen

Kerstin Sonnabend11/2023Seite 70DPG-Mitglieder

„Es geht darum, ein breites Spektrum abzubilden.“

Interview mit Annika Henriksen

11/2023Seite 71DPG-Mitglieder

Personalien

Rezensionen

Alexander Pawlak11/2023Seite 74DPG-Mitglieder

Helmut Fink, Meinard Kuhlmann (Hrsg.): Unbestimmt und relativ?

Die Redaktion11/2023Seite 75DPG-Mitglieder

Bücher zum Quantencomputing

DPG

11/2023Seite 19DPG-Mitglieder

Physik im Advent

11/2023Seite 32DPG-Mitglieder

Virtuelle Jobbörse

11/2023Seite 53DPG-Mitglieder

DPG-Kolleg

11/2023Seite 67DPG-Mitglieder

Physikerin der Woche

Anika Oster11/2023Seite 76DPG-Mitglieder

Ein „Deep-Dive“ in die Physik

Laura N. Schusser11/2023Seite 77DPG-Mitglieder

Monaco di Vestfalia

11/2023Seite 78DPG-Mitglieder

Ideenwettbewerb 2024 der DPG-Akademie

11/2023Seite 79DPG-Mitglieder

Mitgliederversammlung 2024

11/2023Seite 79DPG-Mitglieder

Wahlen zum DPG-Vorstand

11/2023Seite 79DPG-Mitglieder

Mitgliederversammlung der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin e.V.

11/2023Seite 85DPG-Mitglieder

Bewerberliste

Notizen

11/2023Seite 79DPG-Mitglieder

Notizen

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