TUM-Vize Gerhard Kramer: "Information ist überall"

 Professor Gerhard Kramer ist Geschäftsführender Vizepräsident für Forschung und Innovation an der Technischen Universität München und leitet eine Munich Aerospace-Forschungsgruppe für Satellitenkommunikation. © TUM

24. September 2020 – Spitzenforscher aus der ganzen Welt begeistern sich für die Schönheit von Informationen. Professor Gerhard Kramer, Vizepräsident für Forschung und Innovation an der Technischen Universität München und Leiter einer Munich Aerospace-Forschungsgruppe für Satellitenkommunikation, ist einer von ihnen. Im Interview erklärt der Informationstheoretiker und Humboldt-Preisträger, wieso wir störungsfrei Videos aus der ganzen Welt empfangen und wie wir Quantencomputer überlisten können.

 

Informationstheoretiker bewegen sich an den Grenzen der Technik, wenn sie große Datenmengen über Satelliten austauschen. Anstelle von Worten und Videos befördern sie hierbei Bits und Bytes durch den Orbit. Dazu müssen die Daten zunächst komprimiert werden. Aber wie weit können wir überhaupt komprimieren ohne an Bedeutung einzubüßen?

GERHARD KRAMER: Die Antwort ist einfach: So wenig wie möglich, so viel wie nötig. Beispielsweise gelingt es uns bei der Datenkomprimierung von Text, die Bits und Bytes so umzuwandeln, dass die ursprünglichen Worte völlig verlustfrei vom Empfänger wiederhergestellt werden können.

Werden hingegen sehr große Bilder oder Videos in Bits und Bytes umgewandelt, büßen wir oft an Genauigkeit ein. Für eine effiziente Datenübermittlung müssen wir also auf einige Informationen und damit auch auf Bedeutung verzichten. Es stellt sich demnach vielmehr die Frage: Worauf können wir verzichten, um trotzdem noch verstanden zu werden? 

Der Kyoto-Preisträger Claude Shannon stellte bereits 1948 fest, dass "diese semantischen Aspekte der Kommunikation für das technische Problem irrelevant sind". Unser wichtigstes Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, die universell anwendbar sind, und nicht nur solche, die beispielsweise lediglich für deutsch- oder englischsprachige Geräte gelten.

 

Ihre Forschungsgruppe zur effizienten Satellitenkommunikation wurde 2017 von Munich Aerospace anerkannt. Sie leiten hierbei ein Team aus Wissenschaftlern vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der Technischen Universität München. Worum geht es bei Ihrer gemeinsamen Arbeit? 

Zunächst mal konzentriert sich unsere Arbeit auf Effizienz. Es geht uns um die sparsamste Nutzung von Energie, Zeit und Frequenzen innerhalb der Satellitenkommunikation. Als Forscher haben wir ein grundlegendes Interesse daran, herauszufinden, was überhaupt an Effizienzgewinnen möglich ist.

Als Lehrende wollen wir unseren Doktoranden die Faszination für Grundlagenforschung, maschinelles Lernen sowie Kommunikations- und Codierungstheorie vermitteln. Dieses Wissen ist eine Voraussetzung für die Entwicklung spezieller Codierungs- und Modulationsfähigkeiten und wird zum Beispiel von der Kommunikationsindustrie stark nachgefragt.

Für Anwender gibt es zahllose Möglichkeiten, unsere Codes für kurze Datenpakete zu nutzen. Sie ermöglichen zum Beispiel eine reibungsfreiere Nutzung des "Internet of Things", damit dann auch bessere Anwendungen hierfür entwickelt werden können. Unsere Codes sind aber auch wichtig für Satellitensysteme, die Kontakt zu abgelegenen Gebieten herstellen müssen.

 

Satelliten müssen enorme Distanzen überwinden, um mit Erdstationen zu kommunizieren. Damit beim Datenaustausch keine Informationen verloren gehen, müssen sie mit Störungen fertigwerden. Wie kann man bei diesen weiten Strecken Übertragungsfehler vermeiden?

Die Munich Aerospace-Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Verwendung von sogenannten Fehlerkontrollcodes. Die funktionieren so: Mit speziellen Algorithmen werden die Daten zu Bits und Bytes komprimiert. Durch Linearkombinationen vervielfachen wir dann diese Bits und Bytes, bauen also Redundanzen auf. Selbst bei erheblichen Störungen können Daten beim Empfänger wiederhergestellt werden. Der Entwurf solcher Codes ist eine Kunst. Satelliten müssen angesichts der erschwerten Bedingungen im Weltraum natürlich die ausgefeiltesten Methoden anwenden.

Die Fehlerkontrollcodes geraten auch aus Sicherheitsgründen immer weiter in den Fokus von Forschern, denn mit ihnen lassen sich die besten Algorithmen zum Schutz vor Quantencomputern entwickeln. Die Quantencomputer werden mit ihrer Hilfe daran gehindert, geläufige Verschlüsselungsverfahren zu decodieren. Da die Investitionen in den Bau von Quantencomputern insgesamt ansteigen, ist es wichtiger denn je, dass Ingenieure und Physiker gut in der Codierungs- und Informationstheorie ausgebildet sind.

 

Will eine Erdstation über Satelliten eine Information an eine andere Erdstation übermitteln, muss die Botschaft also codiert werden. Wie schafft man es, dass sie trotzdem vom Empfänger verstanden wird?

Der Prozess der Codierung und Decodierung ist sehr anspruchsvoll, denn es gibt viele Beteiligte: Zunächst gibt es uns, die mathematisch denkenden Forscher, die die Algorithmen entwickeln. Die Ingenieure setzen diese Algorithmen in Standardformen um. Die Normungsleute müssen sich dann mit Vertretern anderer Organisationen abstimmen, um sicherzustellen, dass verschiedene Geräte untereinander kompatibel sind und den "Sinn" der Information nicht verstellen. Dass unsere hoch entwickelten Kommunikations- und Computernetzwerke so gut funktionieren, ist auf die jahrzehntelange Arbeit von vielen Tausend Ingenieuren zurückzuführen. Ich finde das bemerkenswert. 

 

Sie sind fasziniert von der Ästhetik von Information. Worin liegt die Schönheit einer Sprache, die auf das Wesentliche reduziert ist?

Mir gefällt der Ausdruck "Reduktion auf das Wesentliche". Die Schönheit in der "Reduktion auf das Wesentliche" liegt für mich in dem wohlbekannten Aha-Effekt. Das ist dieser tolle Moment, wenn man versteht, wie etwas funktioniert. Wenn man beispielsweise beginnt, die Bedeutung der Entropie – also der Umwandlung von Information in Bits und Bytes – zu verstehen. Wenn man dann noch tiefer gräbt, beginnt man, die Bedeutung der Unterschiede von Entropien und ihren Kombinationen zu verstehen. Und man kann noch sehr viel weitergehen, wenn man nämlich die Beziehungen der Informationstheorie zur Biologie, Chemie, Informatik, Mathematik, Physik und so weiter versteht. Denn "Information" ist überall.

 

Vielen Dank für das Gespräch.

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