Forscher entwerfen Datenbus für Quantencomputer

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 06.11.2017

Die Quantenwelt ist sehr fragil. Fehlerkorrekturcodes helfen, Quanteninformation vor Störungen zu schützen. Innsbrucker Quantenphysiker haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich kodierte Bauteile wie Prozessor und Speicher miteinander verbunden werden können. Mit der in der Fachzeitschrift Nature Communications präsentierten Methode kann ein Datenbus für Quantencomputer konstruiert werden.

Quantencomputer werden in Zukunft Rechenaufgaben bewältigen, an denen herkömmliche Computer scheitern. Weil Objekte in der Quantenwelt aber sehr sensibel auf Störungen reagieren, sind der Umsetzung heute noch Grenzen gesetzt. Obwohl die Systeme mit hohem Aufwand gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt werden, können bisher im Labor nur kleine Protoypen für Quantencomputer gebaut werden. Die Fehleranfälligkeit lässt sich reduzieren, indem die Quanteninformation nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert, sondern in einer größeren Anzahl an Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind gegenüber Störungen unempfindlicher. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehlerkorrekturcodes entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert. Physiker Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und Nicolai Friis, nun am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien, haben ein Verfahren gefunden, mit dem Quanteninformation zwischen unterschiedlichen, kodierten Systemen ausgetauscht werden kann.

Schnittstelle zwischen Prozessor und Speicher

Wie klassische Rechner kann auch der Quantencomputer der Zukunft aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Schon heute existieren im Labor erste Quantenprozessoren und Quantenspeicher. Für sie können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden, um logische Quantenbits zu kodieren: für Quantenprozessoren zum Beispiel sogenannte „Color“ Codes und für Quantenspeicher „Surface“ Codes. „Damit diese beiden Systeme quantenmechanisch miteinander sprechen können, müssen sie verschränkt werden“, sagt Doktorand Hendrik Poulsen Nautrup. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich kodierte Quantensysteme verbunden werden können.“ Dabei handelt es sich um lokale Eingriffe an einzelnen Elementen des kodierten Quantenbits. Die Wissenschaftler sprechen auch von „Gitterchirurgie“, mit der Systeme wie ein Quantenspeicher und ein Prozessor verschränkt werden können. Nachdem die beiden Systeme vorübergehend miteinander „vernäht“ wurden, kann die Quanteninformation vom Prozessor in den Speicher oder umgekehrt geladen werden. „Ähnlich wie ein Datenbus im klassischen Computer, kann diese Methode verwendet werden, um die Bauteile eines Quantencomputers miteinander zu verbinden“, erläutert Poulsen Nautrup.

Das neu entwickelte Verfahren soll demnächst im Labor umgesetzt werden und stellt einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem universellen Quantencomputer dar. Die Arbeit entstand im Rahmen des Doktoratskolleg Atoms, Light, and Molecules an der Universität Innsbruck und wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds und der Templeton World Charity Foundation finanziell unterstützt.

Publikation:
Fault-tolerant interface between quantum memories and quantum processors. Hendrik Poulsen Nautrup, Nicolai Friis, and Hans J. Briegel. Nature Communications 2017 DOI: 10.1038/s41467-017-01418-2

Externer Link: www.uibk.ac.at

Im Auge des Betrachters

Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 07.11.2017

Mithilfe neuer Entwicklungen lassen sich Smartphones und Co. bedienen, ohne sie berühren zu müssen. Gesteuert werden könnten sie über einfache Handgesten.

Forscher der Hochschule Coburg haben untersucht, ob sich die Reflektionen im menschlichen Auge nutzen lassen, um diese Art der Bedienung zu ermöglichen. Und tatsächlich: Schaut ein Nutzer auf sein Smartphone oder Tablet spiegelt sich in seinen Augen die Umgebung um ihn herum. Bewegt er nun die Hände innerhalb dieser Umgebung, erkennt das Gerät diese Bewegung und kann die entsprechenden Befehle umsetzen.

Benötigt wird dafür nur die normale Frontkamera des Geräts. „Das muss also keine langfristige Zukunftsvision sein, sondern könnte schon mit der heutigen Generation von Smartphones umgesetzt werden“, erklärt Prof. Dr. Jens Grubert. Der Professor für Mensch-Maschine-Interaktion im Internet der Dinge erforscht Techniken, die die Bedienung von mobilen Endgeräten erleichtern können.

Diese Erkenntnisse zur Interaktion mit Mobilgeräten mittels Augenreflektionen stellten er und sein Mitarbeiter Daniel Schneider auf den international Konferenzen IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (IEEE ISMAR) in Nantes (Frankreich) und auf der ACM International Conference on Interactive Surfaces and Spaces (ACM ISS) in Brighton (England) vor.

Externer Link: www.hs-coburg.de

„Fingerabdruck“ aus Licht ermöglicht Nerven-Stimulation

Presseaussendung der JKU Linz vom 27.10.2017

ForscherInnen der Johannes Kepler Universität Linz haben ein neues Verfahren entwickelt, das die Stimulation von Nervenzellen mittels Lichtfeld ermöglicht. Das Projekt wurde nun im renommierten Journal „Nature Scientific Reports“ der Fachwelt präsentiert.

Bereits 2016 stellte das Team um Univ.-Prof. Oliver Bimber (Institut für Computergrafik) ein Verfahren zur volumetrischen Ausleuchtung von mikroskopischen Proben vor. Dabei werden, mithilfe eines speziellen Lichtfeld-Mikroskops, Lichtstrahlen zu einem dreidimensionalen Beleuchtungsmuster innerhalb der Probe gebündelt.

Einsatz in der Medizin

Einsatzgebiet dieser Technik ist die Optogenetik, in der neuronale Zellen durch gezielte Beleuchtung stimuliert werden. Optogenetische Stimulation wurde von anderen ForscherInnen bereits erfolgreich am Gehirn bzw. an Nervenzellen von Tieren wie Mäusen, Fischen, Fliegen und Würmern demonstriert. Ziel ist es, bestimmte Verhaltensmuster in Versuchsobjekten auszulösen oder zu unterdrücken.

Voraussetzung der bis dato aktuellen Beleuchtungsverfahren war die exakte Position der Probenelemente. Position und Größe einzelner Neuronen mussten vorab ermittelt werden. Eine genaue Bestimmung konnte zudem äußerst schwierig sein bzw. war in manchen Fällen überhaupt unmöglich.

Keine Rekonstruktion nötig

Das nun an der JKU entwickelte Verfahren kommt völlig ohne die dreidimensionale Struktur der Probe aus. Die Technik macht sich eine besondere Eigenschaft von Nervenzellen zunutze: Jedes stimulierte Neuron erzeugt einen eindeutigen „Lichtfeld-Fingerabdruck“. Im neuen Verfahren wird die Probe, bestehend aus mehreren Neuronen, mit speziellen Mustern beleuchtet. Die sich überlagernden „Fingerabdrücke“ werden danach durch ein mathematisches Verfahren getrennt. Damit können anschließend neue Beleuchtungsmuster berechnet werden, die dann selektiv einzelne Neuronen stimulieren.

Der große Vorteil: Durch die spezielle Abtastung sind eine 3D-Rekonstruktion der Probe oder die Kalibrierung der optischen Elemente des Mikroskops nicht mehr notwendig. (Tobias Prietzel)

Externer Link: www.jku.at

3D-Mikrodruck: Sicherheit für Produkte, Pässe und Geld

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.10.2017

Fälschungen und Produktpiraterie schaden Gesellschaft und Wirtschaft – 3D-Mikrostrukturen können Sicherheit erhöhen – KIT-Forscher entwickeln hierfür innovative fluoreszierende 3D-Strukturen

Sicherheitsmerkmale sollen Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschungen schützen. Denn etwa Verluste durch Produkt- und Markenpiraterie können enorm sein: Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau beziffert allein für seine Branche die entstandenen Schäden für das Jahr 2016 auf 7,3 Milliarden Euro. Um die Fälschungssicherheit zu erhöhen, schlagen Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie und der Firma ZEISS in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies nun vor, statt auf gängige 2D-Strukturen, wie zum Beispiel Hologramme, auf 3D-gedruckte Mikrostrukturen zu setzen.

„Heutzutage basieren optische Sicherheitsmerkmale, zum Beispiel Hologramme, häufig auf zweidimensionalen Mikrostrukturen“, erklärt Professor Martin Wegener, Experte für 3D-Druck von Mikrostrukturen am Institut für Nanotechnologie des KIT. „Durch die Verwendung von 3D-gedruckten fluoreszierenden Mikrostrukturen kann die Fälschungssicherheit erhöht werden.“ Die neuen Sicherheitsmerkmale haben eine Seitenlänge von rund 100 Mikrometern und sind mit dem bloßen Auge oder einem herkömmlichen Mikroskop kaum noch zu erkennen. Für ihre Herstellung und Anwendung haben Wegener und sein Team ein innovatives Verfahren entwickelt, das vom Aufbau der Mikrostrukturen bis hin zum Auslesen der Informationen den gesamten Prozess umfasst.

Die Mikrostrukturen bestehen aus einem 3D-Stützgitter und Punkten, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren und innerhalb dieses Gitters variabel in drei Dimensionen angeordnet werden können. Um solche Mikrostrukturen aufbauen und drucken zu können bedienen sich die Experten eines schnellen und präzisen Laserlithographie-Gerätes, das von der Firma Nanoscribe – einem Spinoff des KIT – entwickelt und verkauft wird. Es erlaubt voluminöse Strukturen höchste Präzision auf einigen Millimetern Kantenlänge oder mikrostrukturierte Oberflächen mit Ausdehnungen bis in den Quadratzentimeterbereich.

Der spezielle 3D-Drucker baut die Strukturen Schicht für Schicht aus einem nicht fluoreszierenden und zwei fluoreszierenden Fotolacken auf. Dabei durchfährt ein Laserstrahl sehr präzise Punkte im flüssigen Fotolack. Lediglich genau am Fokuspunkt des Laserstrahls wird das Material belichtet und härtet aus. Die dabei entstehende filigrane Struktur wird anschließend in ein transparentes Polymer eingebettet, das sie vor Schäden schützen soll.

„Auf diese Weise produzierte Sicherheitsmerkmale sind nicht nur individuell aufgebaut, sondern auch komplex in der Herstellung. Dies alles macht Fälschern das Leben schwer“, erklärt Frederik Mayer vom Institut für Nanotechnologie des KIT. Das neue Verfahren ist zudem leicht erweiterbar und vielfältig anwendbar. Denkbar ist zum Beispiel, dass die 3D-Merkmale als eingebettete Folie in Sicherheitsetiketten zum Einsatz kommen, die unter anderem Pharmazeutika, Autoersatzteile oder Handy-Akkus vor Fälschungen schützen sollen, oder dass sie in die Sichtfenster von Geldscheinen integriert werden. Für spätere Echtheitsüberprüfungen an der Supermarktkasse oder in der Werkshalle bedarf es dann spezieller Auslesegeräte, die in der Lage sind fluoreszierende 3D-Strukturen zu erkennen. (sur)

Publikation:
Advanced Materials Technologies

Externer Link: www.kit.edu

Körpereigener Infektionsmarker steuert Antibiotikatherapie

Medienmitteilung der Universität Basel vom 16.10.2017

Mit dem körpereigenen Infektionsmarker Procalcitonin lässt sich der Einsatz von Antibiotika bei Infektionen gezielt steuern. Die Antibiotikatherapie wird verkürzt, aber auch ihre Nebenwirkungen und die Mortalität nehmen ab. Dies berichten Forschende von Universität Basel und Kantonsspital Aarau nach einer Metaanalyse von über 6700 internationalen Daten von Patienten mit Atemwegsinfektionen in der Fachzeitschrift «The Lancet Infectious Diseases».

Procalcitonin ist die Vorstufe eines Schilddrüsenhormons, die bei Gesunden kaum oder gar nicht nachweisbar ist. Kommt es im Körper aber zu einer bakteriellen Entzündung, steigt der Stoff Procalcitonin im Blut plötzlich an. Diesen Mechanismus können sich Mediziner bei der Diagnose von Infektionskrankheiten zunutze machen – denn eine Antibiotika-Behandlung ist bekanntlich nur bei bakteriellen Infektionen sinnvoll. Eine wichtige Rolle spielt dies etwa bei Atemwegsinfektionen, da bei diesen eine Abgrenzung zwischen bakterieller und viraler Infektion oft schwierig ist.

Dass der Einsatz von Procalcitonin eine Antibiotika-Therapie um rund 30% verkürzen kann, ist bereits bekannt. In verschiedenen randomisierten Studien – unter anderem an der Universität Basel – wurde den behandelnden Ärzten anhand des Procalcitoninwerts eine Empfehlung gegeben, ob Antibiotika nötig sind oder ob diese gestoppt werden können. Diese Strategie mit dem Biomarker wurde dann mit eine Kontrollgruppe verglichen, die nach rein klinischen Kriterien über einen Antibiotikaeinsatz entschieden hat.

Gegen Resistenzbildung

Eine neue Metaanalyse unter Leitung von Prof. Dr. Philipp Schuetz vom Departement Klinische Forschung von Universität und Universitätsspital Basel und dem Kantonsspital Aarau zeigt nun, dass durch den Infektionsmarker Procalcitonin die Mortalität bei Patienten mit Atemwegsinfektionen abnimmt. Erzielt wurde eine Reduktion der relativen Mortalität nach 30 Tagen von 14% (von 10% auf 8,6%) sowie eine 25-prozentige Reduktion von Antibiotikanebenwirkungen (von 22,1% auf 16,3%).

«Diese Resultate machen auch Hoffnung, dass dem weltweiten Trend der Antibiotika-Resistenzbildung entgegengewirkt werden kann», kommentiert Schuetz die Studie. Dafür haben 26 Forschungsgruppen aus zwölf Ländern die Daten von 6708 Patienten zur Verfügung gestellt und analysiert – entsprechend dem weltweiten Trend des Data sharing, womit einzelne Patientengruppen besser charakterisiert werden können.

Originalbeitrag:
Philipp Schuetz, Yannick Wirz, Ramon Sager et al.
Effect of procalcitonin-guided antibiotic treatment on mortality in acute respiratory infections: A patient level meta-analysis
The Lancet Infectious Diseases (2017), Available online 13 October 2017 | doi: 10.1016/S1473-3099(17)30592-3

Externer Link: www.unibas.ch