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App reduziert CO2: Alumnus gewinnt Ecodesign-Preis

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Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 19.12.2022

Er hatte eine Idee. Und als Sascha Greilinger dann an der Hochschule Coburg Integriertes Produktdesign studierte, setzte er sie um: Seine Bachelorarbeit widmete er der App „PeakPick“. Dafür wurde er jetzt mit dem bundesweiten Ecodesign-Preis ausgezeichnet.

Der Anteil erneuerbarer Energien im Stromnetz ist stark von Wetter und Tageszeit abhängig. Die App PeakPick ist ein Saisonkalender für grünen Strom, der hilft, den Verbrauch an die Erzeugung durch Wind- und Solaranlagen anzupassen. In der Industrie wird dies bereits mit sogenannter „Lastverschiebung“ praktiziert. PeakPick aktiviert dieses Potential auch in Privathaushalten und ermöglicht einen Einstieg in den flexiblen Stromverbrauch. „Mittags steht die Sonne im Zenit, da wird am meisten Solarstrom erzeugt“, sagt Sascha Greilinger. „Bei schönem Wetter mittags kochen, abends kalt essen und CO2 sparen!“ Oder die Waschmaschine dann laufen lassen, wenn der Wind weht. Indem das Einschalten von Geräten in einen Zeitraum mit hohem Anteil an regenerativer Erzeugung verschoben wird, kann jeder einen wertvollen Beitrag zur Energiewende leisten.

Das Projekt profitierte von einem interdisziplinären Ansatz: Professor Michael Markert aus dem Produktdesign betreute Greilingers Arbeit und gab ihm den Tipp, wegen der Programmierung bei Prof. Dr. Thomas Wieland in der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik nachzufragen. Das Ergebnis überzeugte nun auch die Jury des Bundespreises Ecodesign: „Die klar und nutzerfreundlich gestaltete Anwendung informiert aktuell und lokal darüber, wann grüner Strom reichlich zur Verfügung steht und wann nicht“, erklärt Prof. Matthias Held, Juryvorsitzender und Prorektor für Forschung und Transfer an der Hochschule für Gestaltung Schwäbisch Gmünd. „Nutzer:innen werden so für die Thematik sensibilisiert; ihr Verbrauchsverhalten wird geschult bis sich der Service, durchaus beabsichtigt, durch die erlangte Routine selbst überflüssig macht.“

In dem seit 2012 jährlich ausgelobten Wettbewerb werden innovative Produkte, Dienstleistungen und Konzepte ausgezeichnet, die aus Umwelt- und Designsicht überzeugen. Der Preis wurde überreicht von Bundesumweltministerin Steffi Lemke und Prof. Dr. Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamtes. Der Coburger Alumnus Sascha Greilinger wurde in der Kategorie „Nachwuchs“ ausgezeichnet. „Ich hoffe“, sagt er, „dass die Notwendigkeit der Transformation auf gesellschaftlicher Ebene sowie der Nutzen für die Energiewende erkannt werden und das Projekt entsprechend gefördert wird.“

Externer Link: www.hs-coburg.de

Stabilere Zustände für Quantencomputer

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.12.2022

Forschende des KIT arbeiten an neuem Qubit-Ansatz – Veröffentlichung in Nature Materials

Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. A und O sind dabei Quantenbits (Qubits), die kleinste Recheneinheit von Quantencomputern. Da sie nicht nur über zwei Zustände verfügen, sondern auch über Zustände dazwischen, verarbeiten Qubits mehr Informationen in kürzerer Zeit. Einen solchen Zustand länger aufrechtzuerhalten, ist allerdings schwierig und insbesondere von den Materialeigenschaften abhängig. Ein Forschungsteam des KIT erzeugte jetzt Qubits, die 100-mal sensitiver auf Materialdefekte sind – ein entscheidender Schritt, um diese auszumerzen. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Zeitschrift Nature Materials.

Quantencomputer können große Datenmengen schneller verarbeiten, weil sie viele Rechenschritte parallel durchführen. Informationsträger des Quantencomputers ist das Qubit. Bei Qubits gibt es nicht nur die Informationen „0“ und „1“, sondern auch Werte dazwischen. Die Schwierigkeit liegt im Moment allerdings noch darin, Qubits herzustellen, die klein genug sind und sich schnell genug schalten lassen, um Quantenkalkulationen auszuführen. Als vielversprechende Option gelten hier supraleitende Schaltungen. Supraleiter sind Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand aufweisen und daher elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dies ist entscheidend, um den Quantenzustand der Qubits zu erhalten und sie effizient miteinander zu verbinden.

Gralmonium-Qubits: Supraleitend und sensitiv

Forschenden des KIT ist es gelungen, neuartige und unkonventionelle supraleitende Qubits zu entwickeln. „Das Herzstück eines supraleitenden Qubits ist ein sogenannter Josephson-Kontakt, der zur Speicherung von Quanteninformation dient. Genau an dieser Stelle haben wir eine entscheidende Veränderung vorgenommen“, so Dr. Ioan M. Pop vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien des KIT (IQMT). In der Regel werden solche Josephson-Kontakte für supraleitende Quantenbits erzeugt, indem zwei Aluminiumschichten durch eine dünne Oxid-Barriere getrennt werden. „Im Gegensatz dazu verwenden wir für unsere Qubits nur eine einzelne Schicht aus ‚granularem Aluminium‘, einem Supraleiter aus wenige Nanometer großen Aluminiumkörnern, die in einer Oxid-Matrix eingebettet sind“, sagt Pop. Dadurch bildet das Material von sich aus ein dreidimensionales Netzwerk aus Josephson-Kontakten. „Spannenderweise werden die gesamten Eigenschaften unseres Qubits durch eine winzige Engstelle von nur 20 Nanometern dominiert. Dadurch wirkt es wie eine Lupe für mikroskopische Materialdefekte in supraleitenden Qubits und bietet eine vielversprechende Perspektive für deren Verbesserung“, ergänzt Simon Günzler vom IQMT.

Aus einem Guss: Qubits vollständig aus granularem Aluminium

Die vom Team entwickelten Qubits sind eine fundamentale Weiterentwicklung eines bereits zuvor erprobten Ansatzes mit sogenannten Fluxonium-Qubits. Bei dieser Vorgängerversion wurden Teile aus granularem Aluminium und andere Teile konventionell aus Aluminium hergestellt. Bei der aktuellen Arbeit gingen die Forschenden noch den entscheidenden Schritt weiter und stellten die kompletten Qubits aus granularem Aluminium her. „Als würde man einen Quantenschaltkreis einfach aus einem Metallfilm herausschneiden. Dadurch ergeben sich ganz neue Möglichkeiten für die industrielle Herstellung mit Ätzverfahren und erweiterte Einsatzbereiche für die Qubits, zum Beispiel in starken Magnetfeldern“, so Dennis Rieger vom Physikalischen Institut des KIT.

Diese Erfindung haben die Autoren auch durch ein europäisches Patent geschützt. (rli)

Originalpublikation:
D. Rieger, S. Günzler, M. Spiecker, P. Paluch, P. Winkel, L. Hahn, J. K. Hohmann, A. Bacher, W. Wernsdorfer, and I. M. Pop: Granular Aluminium Nanojunction Fluxonium Qubit. Nature Materials, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01417-9

Externer Link: www.kit.edu

Wie das Chaos der Quantenwelt eine Temperatur verleiht

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Presseaussendung der TU Wien vom 12.12.2022

Zwei scheinbar völlig unterschiedliche Bereiche der Physik hängen auf subtile Art zusammen: Quantentheorie und Thermodynamik. Wie die Chaostheorie dazwischen vermittelt, wurde nun an der TU Wien untersucht.

Ein einzelnes Teilchen hat keine Temperatur. Es hat eine bestimmte Energie oder auch eine bestimmte Geschwindigkeit – aber in eine Temperatur kann man das nicht übersetzen. Nur wenn man es mit zufälligen Geschwindigkeitsverteilungen vieler Teilchen zu tun hat, kann man überhaupt von einer Temperatur sprechen.

Wie sich aus den Gesetzen der Quantenphysik die Gesetze der Thermodynamik ergeben können, ist ein Thema, das in den letzten Jahren wachsende Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. An der TU Wien ging man dieser Frage nun mit Computersimulationen nach und konnte dadurch zeigen, welche zentrale Rolle Chaos dabei spielt: Nur da, wo Chaos herrscht, folgen auch aus der Quantenphysik die wohlbekannten Regeln der Thermodynamik.

Boltzmann: Alles ist möglich, vieles ist unwahrscheinlich

Wenn in einem Raum die Luftmoleküle scheinbar regellos durcheinanderfliegen, dann können diese Moleküle unvorstellbar viele verschiedene Zustände einnehmen: Für jedes einzelne Teilchen sind unterschiedliche Aufenthaltsorte und unterschiedliche Geschwindigkeiten erlaubt. Doch nicht alle diese Zustände sind gleich wahrscheinlich. „Physikalisch wäre es möglich, dass zufällig die gesamte Energie in diesem Raum auf ein einziges Teilchen übertragen wird, das dann mit extrem hoher Geschwindigkeit herumfliegt, während alle anderen Teilchen stillstehen“, sagt Prof. Iva Brezinova vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Aber das ist so unwahrscheinlich, dass man es praktisch nie beobachten wird.“

Die Wahrscheinlichkeiten unterschiedlicher erlaubter Zustände lassen sich berechnen – nach einer Formel, die der österreichische Physiker Ludwig Boltzmann nach den Regeln der klassischen Physik aufstellte. Und aus dieser Wahrscheinlichkeitsverteilung lässt sich dann auch die Temperatur ablesen, die in diesem Raum herrscht: Sie ist nur bei einer großen Zahl von Teilchen bestimmt.

Die ganze Welt als ein einziger Quantenzustand

Das bringt nun aber Probleme mit sich, wenn man sich mit Quantenphysik befasst. Wenn eine größere Zahl von Quantenteilchen gleichzeitig im Spiel ist, dann werden die Gleichungen der Quantentheorie nämlich so kompliziert, dass selbst die besten Supercomputer der Welt keine Chance haben, sie zu lösen.

Man kann in der Quantenphysik die einzelnen Teilchen auch nicht unabhängig voneinander betrachten, wie man das etwa bei klassischen Billardkugeln machen kann. Jede Billardkugel hat ihre eigene individuelle Bahn und zu jedem Zeitpunkt ihren individuellen Aufenthaltsort. Quantenteilchen hingegen haben keine Individualität – man kann sie nur gemeinsam beschreiben, in einer einzigen großen Quanten-Wellenfunktion.

„Quantenphysikalisch wird das gesamte System von einem einzigen großen Vielteilchen-Quantenzustand beschrieben“, sagt Prof. Joachim Burgdörfer (TU Wien). „Wie daraus eine zufällige Verteilung und damit eine Temperatur folgen sollte, blieb lange ungeklärt.“

Die Chaostheorie als Vermittler

Ein Team an der TU Wien konnte nun zeigen, dass Chaos in der Quantenphysik dabei eine zentrale Rolle spielt. Dazu simulierte das Team am Computer Zustände eines Quantensystems, das aus einer großen Zahl von Teilchen besteht – aus vielen einzelnen ununterscheidbaren Teilchen einer Teilchensorte (dem „Wärmebad“) und einem einzelnen „Probeteilchen“, das als Thermometer fungiert. Jede einzelne Quanten-Wellenfunktion des großen Systems hat eine bestimmte Energie, aber keine definierbare Temperatur – ganz wie ein einzelnes klassisches Teilchen. Wenn man aber nun aus dem einzelnen Quantenzustand das Probeteilchen herausgreift und seine Geschwindigkeit misst, dann kann man überraschenderweise eine Geschwindigkeitsverteilung finden, die einer Temperatur entspricht, die zu den längst bekannten Gesetzen der Thermodynamik passt.

„Ob sie passt, entscheidet das Chaos – das konnten wir mit unseren Berechnungen zeigen“, sagt Iva Brezinova. „Wir können nämlich die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen am Computer gezielt verändern und so entweder ein völlig chaotisches System erzeugen, oder eines, das überhaupt kein Chaos zeigt – oder auch irgendetwas dazwischen.“ Und dabei stellte man fest: Die Anwesenheit von Chaos entscheidet darüber, ob ein Quantenzustand des Probeteilchens einer Boltzmann-Temperaturverteilung folgt oder nicht.

„Ohne dass man zu Beginn irgendwelche Annahmen über zufällige Verteilungen oder thermodynamische Regeln hineinsteckt, ergibt sich aus der Quantentheorie thermodynamisches Verhalten ganz von selbst – wenn das kombinierte System von Probeteilchen und Wärmebad sich quanten-chaotisch verhält. Und wie genau dieses Verhalten zu den bekannten Boltzmann-Formeln passt, wird von der Stärke des Chaos bestimmt“, erklärt Joachim Burgdörfer.

Damit wurde nun erstmal auf rigorose Weise mit Vielteilchen-Computersimulationen das Zusammenspiel von drei wichtigen Theorien gezeigt: Quantentheorie, Thermodynamik und Chaostheorie. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
M. Kourehpaz et al., Canonical Density Matrices from Eigenstates of Mixed Systems, Entropy 2022, 24(12), 1740.

Externer Link: www.tuwien.at