Quantencomputer rechnet mit mehr als Null und Eins

Medienmitteilung der Universität Innsbruck vom 21.07.2022

Seit Jahrzehnten lernen wir, dass Computer, vom Handy bis zum Rechenzentrum, mit Null und Eins rechnen. An der Universität Innsbruck hat nun ein Team von Experimentalphysikern einen Quantencomputer realisiert, der diese Einschränkung hinter sich lässt und den Weg ebnet für deutlich effizientere Quantenrechnungen.

Computer sind praktisch gleichgesetzt mit binärer Information – Null und Eins. Dieser Ansatz ist so erfolgreich, dass Computer aus dem täglichen Leben, von der Kaffeemaschine bis zum selbstfahrenden Auto, nicht mehr wegzudenken sind.

Aufbauend auf dem Erfolg klassischer Computer, gilt die binäre Informationsverarbeitung auch als Basis für neuartige Quantencomputer. „Die physikalischen Bausteine des Quantencomputers können allerdings deutlich mehr als nur Null und Eins“, erklärt der Innsbrucker Experimentalphysiker Martin Ringbauer. „Die Einschränkung auf binäre Systeme nimmt diesen Computern viel von ihrem echten Potential.“

Das Team um Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck berichtet in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie es ihnen nun gelungen ist, einen Quantencomputer zu realisieren, der dieses Potential voll ausnutzen und damit mehr Rechenleistung mit weniger Quantenteilchen erreichen kann.

Verstecktes Potential

Information in Null und Eins zu speichern, ist zwar nicht die effizienteste Art zu rechnen, aber die einfachste, und einfach heißt auch oft verlässlich und wenig fehleranfällig. So ist die binäre Informationsverarbeitung heutzutage der unumstrittene Standard.

In der Quantenwelt sieht das anders aus, da es kaum Systeme mit nur zwei Zuständen gibt. „Im Innsbrucker Quantencomputer wird Information beispielsweise in einzelnen gefangenen Kalziumatomen gespeichert, die jeweils acht Zustände haben, von denen bisher aber nur zwei zum Rechnen verwendet wurden“, erklärt Thomas Monz. Ähnliches gilt für fast alle existierenden Quantencomputer weltweit.

Optimal für Computer und Anwendungen

Wie die Innsbrucker Physiker nun gezeigt haben, ist es möglich einen Quantencomputer so zu konstruieren, dass das volle Potential der Atome ausgenutzt werden kann, indem alle vorhandenen Zustände als sogenannte Qudits (quantum digits) zum Rechnen verwendet werden. Dieses neue Rechenmodell ist optimal auf die Quantenhardware abgestimmt, und die Forscher konnten zeigen, dass der neue Quantencomputer genauso verlässlich arbeitet, wie einer mit nur Null und Eins.

Ähnlich sieht es mit Anwendungen aus. Denn viele der Aufgaben, die Quantencomputer brauchen, wie in der Physik, Chemie, oder den Materialwissenschaften, sind auf natürliche Weise für Qudits formuliert. Versucht man diese für übliche Quantencomputer umzuschreiben, werden sie oft zu kompliziert für heutige Maschinen. „Mit mehr als Null und Eins zu rechnen, ist nicht nur optimal für die Quantencomputer, sondern auch deutlich natürlicher für viele Anwendungen“, sagt Martin Ringbauer. „Dieser Ansatz ermöglich uns, das volle Potential unserer Quantencomputer auszuschöpfen“.

Die Forschungen wurden unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung sowie der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
A universal qudit quantum processor with trapped ions. Martin Ringbauer, Michael Meth, Lukas Postler, Roman Stricker, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Thomas Monz. Nature Physics 2022.

Externer Link: www.uibk.ac.at

CO2-Highspeed-Speicher in Bakterien entdeckt

Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.07.2022

Die sich stetig verschärfende Klimakrise durch die Ansammlung von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre macht die Suche nach Möglichkeiten zur CO2-Speicherung äusserst wichtig. Das Team von Prof. Ben Engel am Biozentrum der Universität Basel hat nun gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Frankfurt und Marburg die Struktur eines Enzyms entschlüsselt, das einen solch neuen Weg zur CO2-Speicherung aufzeigt.

Das aussergewöhnliche Enzym HDCR stellt aus gasförmigem Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) Ameisensäure her, entzieht damit der Umwelt CO2 und speichert es in der Zelle. Dabei überträgt HDCR Elektronen vom Wasserstoff auf das CO2. Es ist damit das erste bekannte Enzym, das Wasserstoff direkt als Elektronenquelle zur CO2-Speicherung nutzen kann. Das Enzym HDCR wurde im wärmeliebenden Bakterium Thermoanaerobacter kivui entdeckt, das ursprünglich 1981 im Kivusee in Zentralafrika gefunden wurde. Es lebt in sauerstoffarmen Umgebungen wie der Tiefsee. Den Forschungsteams der Universitäten Basel, Frankfurt (Prof. Volker Müller) und Marburg (Prof. Jan Schuller) ist es nun gelungen, die Struktur von HDCR aufzuklären. Die Resultate wurden nun in Nature veröffentlicht.

Katalysator in Highspeed

Das Enzym HDCR setzt sich aus langen Filamenten zusammen. Diese fadenförmige Struktur wirkt wie ein elektronenleitender «Nanodraht» und ist offenbar für die äusserst effizienten Umwandlungsraten der beiden Gase verantwortlich. «Diese Struktur des Enzyms macht die Highspeed-CO2-Bindung möglich», erklärt Dr. Ricardo Righetto, einer der Erstautoren der Studie am Biozentrum der Universität Basel. Die Forschenden fanden heraus, dass in diesem Enzym die chemische Reaktion effizienter durchgeführt wird, als in allen bisher bekannten chemischen Katalysatoren.

Die Forschenden wendeten komplementäre elektronenmikroskopische Ansätze an, um genauer zu verstehen, wie HDCR funktioniert. Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersuchten sie die gereinigten Filamente, konnten so die atomaren Strukturen des Enzyms bestimmen und die Filamente sichtbar machen. Diese zeigten, dass der «Nanodraht» Tausende Elektronen-leitenden Eisen- und Schwefelatomen enthält, die eine effiziente Übertragung von Elektronen von Wasserstoff zu CO2 ermöglichen. Die Wissenschaftler glauben, dass der «Nanodraht» die Elektronen aus Wasserstoff auch speichern kann, auch wenn nur eine Wasserstoffblase an den Bakterien vorbeizieht.

Anschliessend führten sie eine Tomographie an gefrorenen Zellschnitten durch, um HDCR in den T. Kivui-Zellen sichtbar zu machen. «Diese innovative Technik zeigte, dass die Filamente wie Metallkabel mehrfach um sich selbst ineinander gedreht sind», so Righetto. «Diese Superstrukturen sehen aus wie kreisförmige Portale auf der Membran. Diese Anordnung könnte wichtig sein, um die Effizienz des Enzyms zu erhöhen, damit die Bakterien unter solch extremen Bedingungen Energie gewinnen.»

Neue Möglichkeit zur CO2-Speicherung

Die sich stetig verschärfende Klimakrise durch die zunehmende Ansammlung von CO2 in der Atmosphäre macht die Entwicklung neuer Ideen zur Absonderung und Speicherung von CO2 unumgänglich. «Die in HDCR gefundenen Strukturen zeigen uns neue Weg auf, um CO2 effizient zu speichern und Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen», sagt Prof. Ben Engel, Forschungsgruppenleiter am Biozentrum, Universität Basel. Insbesondere für biotechnologische Ansätze könnten sich das als äusserst wertvoll erweisen. «Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse die Bedeutung wissenschaftlicher Grundlagenforschung, die die Biologie verschiedener Organismen erforscht. Denn die Natur steckt voller erstaunlicher Überraschungen!»

Originalpublikation:
Helge M. Dietrich, Ricardo D. Righetto, Anuj Kumar, Wojciech Wietrzynski, Raphael Trischler, Sandra K. Schuller, Jonathan Wagner, Fabian M. Schwarz, Benjamin D. Engel, Volker Müller & Jan M. Schuller.
Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation. Nature (2022)

Externer Link: www.unibas.ch

Robotische Implantate verbessern die Heilung von Knochenbrüchen

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 04.07.2022

Eine neue Generation intelligenter Implantate soll direkt am Knochen überwachen, ob Schienbeinbrüche heilen. Bei Bedarf sollen sie den Heilungsprozess über gezielte Bewegung direkt an der Bruchstelle aktiv anregen. Hieran arbeitet ein Forschungsteam aus Medizin, Ingenieurwissenschaft und Informatik. Das Team um Bergita Ganse und Tim Pohlemann hat erstmals das nötige bekannte Wissen zusammengetragen, wie Knochenbrüche am besten stimuliert werden, um das beste Heilungsergebnis zu erzielen.

Jeder Unterschenkelbruch ist anders. Ob Motorradunfall oder Grätsche beim Fußball – je nachdem, welche Kräfte auf den Knochen einwirkten, ist das Schadensbild verschieden: von großen Bruchstücken bis hin zu kleinteiligen Knochentrümmern. Entsprechend individuell verheilt auch jeder Bruch. Könnte man im Zeitraffer dem Knochen beim Heilen zusehen, wären an den Bruchstellen kontinuierliche Veränderungen sichtbar, während sich neues Knochengewebe bildet. Gleichwohl besteht die heute übliche Behandlung darin, ein Implantat in Standardgrößen mit den Knochenstücken zu verschrauben; die aktuellen Implantate sind jedoch rein passiv. Nur in zeitlichen Abständen und mit Verzögerung zeigt sich in Röntgenbildern, wie die Heilung verläuft.

„Dass der Knochen trotz Implantat nicht zusammenwächst, ist beim Schienbeinbruch eine relativ häufige Komplikation. Von einhundert Patientinnen und Patienten trifft dies etwa vierzehn“, sagt Professorin Bergita Ganse. „Es ist heute schwierig, die Verzögerung bei der Frakturheilung frühzeitig von außen zu erkennen, um eingreifen zu können. Dies bedeutet für die Betroffenen langwierige Behandlung und für das Gesundheitssystem sehr hohe Kosten“, erläutert die Unfallchirurgin und Inhaberin der Werner Siemens-Stiftungsprofessur für innovative Implantatentwicklung, die an der Universität des Saarlandes das Projekt „Smarte Implantate“ koordiniert. Im interdisziplinären Team entwickeln hier Mediziner, Ingenieure und Informatiker ein für jeden Patienten und jede Patientin individuell auf den Knochen maßgeschneidertes Implantat, das ab der Operation direkt vor Ort im Körper Informationen liefert, wie gut oder schlecht ein Bruch verheilt und auch bei Fehlbelastungen warnen kann. Und: Bei Bedarf soll das Implantat selbst die Knochenheilung aktiv fördern. Ein Prototyp des smarten Implantats soll 2025 vorliegen.

Die Forscherinnen und Forscher kombinieren hierzu modernste Materialtechnik, künstliche Intelligenz und medizinisches Know-how. „Wir wollen mit dieser neuen Klasse von Implantaten die Bruchsteifigkeit und Bruchverschiebung permanent direkt an der Bruchstelle überwachen. Zeigen sich hierbei Probleme, soll das Implantat selbst aktiv gegensteuern, indem es sich bewegt oder versteift und zwar ohne, dass hierzu weitere Eingriffe nötig sind“, erklärt Bergita Ganse. In zahlreichen Vorstudien hat das Forschungsteam der Universität des Saarlandes unter anderem bereits herausgefunden, dass Frakturen schneller heilen, wenn die Bruchstelle durch Mikrobewegungen stimuliert wird.

In vielen Bereichen betreten die Forscherinnen und Forscher hierbei Neuland. Um das Implantat so zu entwickeln, dass es die Heilung auf die Patienten zugeschnitten optimal unterstützt, müssen zahlreiche komplexe Details und Zusammenhänge geklärt werden. „Bislang ist etwa noch nicht definiert, welche Kräfte, Frequenzen, Kraftrichtungen, Zeitdauern und Zeitperioden oder andere Stimuli solche Implantate idealerweise liefern sollten, um das beste Heilungsergebnis zu erzielen“, erläutert Bergita Ganse. Deshalb hat sie gemeinsam mit ihrem Forschungsteam das bislang bekannte Wissen aus diesem Themenkreis zusammengetragen, mögliche Mechanismen aktiver Implantate erörtert und aufgezeigt, wo weitere Forschung erforderlich ist, um ein aktives Implantat zu entwickeln, das die idealste Unterstützung bietet. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team jetzt im Fachblatt Acta Biomaterialia. „Es handelt sich um ein Grundlagenpaper, also die erste Übersichtsarbeit überhaupt, die zu diesem Thema bisher weltweit erschienen ist“, erklärt Bergita Ganse, die als Koordinatorin auch ihre Erfahrung als Weltraummedizinerin einbringt. Sie forschte in Projekten mit der europäischen Weltraumorganisation ESA und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA unter anderem daran, wie sich Knochen und Muskeln im All abbauen und half dabei, für Astronautinnen und Astronauten Trainingsmethoden zu entwickeln, um dies zu verhindern.

Eine der grundlegenden Neuentwicklungen ist der Einsatz von Formgedächtnisdrähten im Implantat. Im rechten Moment sollen sie die richtige „Krankengymnastik“ übernehmen. Hierzu bedarf es zahlreicher Daten und Informationen. Die haarfeinen Drähte mit Formgedächtnis bestehen aus Nickel-Titan. Hieran forschen an der Universität des Saarlandes die Spezialistinnen und Spezialisten für intelligente Materialsysteme um Professor Stefan Seelecke. Eingebaut im Implantat sollen die Drähte mithilfe elektrischer Signale zum einen als Sensor den Heilungsprozess sichtbar machen, zum anderen die Heilung durch Bewegung stimulieren.

Die Formgedächtnisdrähte nehmen ihre ursprüngliche Form wieder an, wenn sie verformt oder gezogen werden, und können ähnlich wie Muskeln an- und wieder entspannen. Auf kleinem Raum erreichen sie hohe Zugkraft; sie haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen. Betrieben werden sie mit elektrischem Strom. Jeder Länge der Drähte lässt sich ein exakter Messwert des elektrischen Widerstands zuordnen. Sind die Drähte im Implantat eingebaut, lassen sich selbst kleinste Veränderungen im Frakturspalt in den Messwerten ablesen. Das macht diese künstlichen Muskeln zu Sensoren im Implantat. Zugleich entspricht eine Abfolge solcher Messwerte einem Bewegungsablauf. Mithilfe der Zahlenkolonnen und intelligenten Algorithmen lassen sich Bewegungsabläufe vorausberechnen, programmieren und die Drähte entsprechend automatisiert ansteuern. So könnte das Implantat sich ohne Weiteres direkt am Frakturspalt bewegen und die Heilung durch aktives Verkürzen und Verlängern, durch Aussenden von Impulsen, Wellen oder elektromagnetischen Feldern stimulieren.

Aktuell arbeiten die Forscherinnen und Forscher an der Feinjustierung und den Details, um diese Muskeln für den Einsatz im Implantat fit zu machen.

Die Werner Siemens-Stiftung fördert diese Forschungen mit acht Millionen Euro.

Originalpublikation:
„Concepts and clinical aspects of active implants for the treatment of bone fractures“ Acta Biomaterialia, 2022. Bergita Ganse, Marcel Orth, Michael Roland, Stefan Diebels Paul Motzki, Stefan Seelecke, Susanne-Marie Kirsch, Felix Welsch, Annchristin Andres, Kerstin Wickert, Benedikt Braun, Tim Pohlemann

Externer Link: www.uni-saarland.de

Nanopartikel retten historische Gebäude

Presseaussendung der TU Wien vom 10.07.2022

Gebäude aus porösem Gestein können mit den Jahren stark verwittern. An der TU Wien wurde nun erstmals genau untersucht, wie Silikat-Nanopartikel wieder für mehr Festigkeit sorgen können.

Viele historische Gebäude wurden aus Sandstein gebaut, etwa der Wiener Stephansdom. Sandstein lässt sich leicht bearbeiten, hält aber der Verwitterung schlecht stand. Er besteht aus Sandkörnern, die relativ schwach aneinander gebunden sind, daher bröckeln im Lauf der Jahre immer wieder Teile des Gesteins ab, oft sind aufwändige Restaurierungen notwendig.

Man kann die Widerstandskraft des Gesteins aber erhöhen, indem man sie mit speziellen Nanopartikeln aus Silikat behandelt. Die Methode wird bereits eingesetzt, was dabei allerdings genau passiert und welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind, war bisher unklar. Ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität Oslo konnte nun durch aufwändige Experimente am Synchrotron DESY in Hamburg und mit mikroskopischen Untersuchungen in Wien genau klären, wie dieser künstliche Härtungsprozess abläuft und dadurch bestimmen, welche Nanopartikel dafür am besten geeignet sind.

Eine wässrige Suspension mit Nanopartikeln

„Man verwendet eine Suspension, also eine Flüssigkeit, in der die Nanopartikel zunächst frei herumschwimmen“, erklärt Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Wenn diese Suspension in das Gestein gelangt, dann verdunstet der wässrige Anteil, die Nanopartikel bilden stabile Brücken zwischen den Sandkörnern und verleihen dem Gestein zusätzliche Stabilität.“

Diese Methode wird in der Restaurierungstechnik bereits angewandt, aber man wusste bisher nicht genau, welche physikalischen Prozesse dabei ablaufen. Wenn das Wasser verdunstet, dann kommt es zu einer ganz speziellen Art der Kristallisation: Normalerweise ist ein Kristall eine regelmäßige Anordnung einzelner Atome. Doch nicht nur Atome, sondern auch ganze Nanopartikel können sich in einer regelmäßigen Struktur anordnen – man spricht dann von einem „kolloidalen Kristall“.

Die Silikat-Nanopartikel finden sich beim Trocknen im Gestein zu solchen kolloidalen Kristallen zusammen und erzeugen dadurch gemeinsam neue Verbindungen zwischen den einzelnen Sandkörnern. Dadurch wird die Festigkeit des Sandsteins erhöht.

Messungen in der Großforschungsanlage DESY und in Wien

Um diesen Kristallisationsprozess genau zu beobachten, nutze das Forschungsteam der TU Wien die Synchrotronanlage DESY in Hamburg. Dort können extrem starke Röntgenstrahlen erzeugt werden, mit denen man die Kristallisation während des Trockungsprozesses analysieren kann.

„Das war sehr wichtig, um genau zu verstehen, wovon die Stärke der entstehenden Bindungen abhängt“, sagt Joanna Dziadkowiec (Universität Oslo und TU Wien), die Erstautorin der Publikation, in der die Forschungsergebnisse nun präsentiert wurden. „Wir haben unterschiedlich große Nanopartikel in unterschiedlicher Konzentration verwendet und den Kristallisationsprozess mit Röntgenanalysen untersucht.“ Dabei konnte gezeigt werden, dass die Größe der Partikel für die optimale Festigkeit entscheidend ist.

Dazu wurden an der TU Wien außerdem die Haftkraft gemessen, die durch die kolloidalen Kristalle entsteht. Dafür wurde ein eigenes Interferenzmikroskop verwendet, das auf die Messung winziger Kräfte zwischen zwei Oberflächen spezialisiert ist.

Kleine Partikel, mehr Kraft

„Wir konnten zeigen: Je kleiner die Nanopartikel, umso mehr verstärken sie den Zusammenhalt zwischen den Sandkörnern“, sagt Joanna Dziadkowiec. „Wenn man kleinere Partikel verwendet, entstehen mehr Bindungsstellen im kolloidalen Kristall zwischen zwei Sandkörner, und mit der Zahl der beteiligten Partikel steigt damit auch die Kraft, mit der sie die Sandkörner zusammenhalten.“ Wichtig ist auch, wie viele Partikel in der Emulsion vorhanden sind. „Je nach Partikelkonzentration verläuft der Kristallisationsprozess leicht unterschiedlich, und das hat einen Einfluss darauf, wie sich die kolloidalen Kristalle im Detail ausbilden“, sagt Markus Valtiner. Die neuen Erkenntnisse sollen nun dazu dienen, Restaurierungsarbeiten dauerhafter und zielgenauer zu machen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Dziadkowiec et al., Cohesion Gain Induced by Nanosilica Consolidants for Monumental Stone Restoration, Langmuir 2022, 38, 22, 6949–6958.

Externer Link: www.tuwien.at