Medieninformation der Universität Innsbruck vom 15.01.2015

Ein Quantennetzwerk benötigt effiziente Schnittstellen, über die Information von Materie auf Licht und umgekehrt übertragen werden kann. Wie dieser Informationstransfer unter Ausnutzung eines kollektiven Quantenphänomens optimiert werden kann, zeigen Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt und Tracy Northup nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Seit einigen Jahren sind Quantencomputer keine reine Theorie mehr. Im Labor haben Forscher die ersten Bausteine eines zukünftigen Quantenrechners bereits realisiert und erfolgreich getestet. Über ein Dutzend unterschiedliche Technologien kommen dabei zum Einsatz. Der am weitesten fortgeschrittene Ansatz sind Ionenfallen, in denen einzelne geladene Atome mit Hilfe von Lasern sehr gut kontrolliert werden können. Diese Idee wurde von Ignacio Cirac und Peter Zoller entwickelt und von einem Team um den Innsbrucker Experimentalphysiker Rainer Blatt federführend in die Realität umgesetzt. Die Gruppe am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat 2013 auch erstmals die Quanteninformation eines in einer Ionenfalle gespeicherten Atoms gezielt auf ein Photon übertragen und damit den Grundbaustein für eine Schnittstelle zwischen Quantenprozessoren und Lichtleitern geschaffen. Nun haben die Physiker um Blatt dieses Interface noch einmal verbessert, indem sie sogenannte superradiante Zustände ausnutzen.

Zuverlässige Schnittstelle

„Will man ein Quantennetzwerk mit gefangenen Ionen realisieren, benötigt man ein effizientes Interface, über das die Quanteninformation von Teilchen auf Photonen übertragen werden kann“, erklärt Projektleiterin Tracy Northup aus dem Team von Rainer Blatt. „In unserer Schnittstelle positionieren wir zwei Ionen zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln. Dann verschränken wir die Teilchen und koppeln sie beide an den optischen Resonator.“ Die kollektive Wechselwirkung zwischen den Teilchen und dem Resonator kann nun so eingestellt werden, dass die Erzeugung von Photonen verstärkt wird. „Diesen Zustand nennt man superradiant“, erläutert Bernardo Casabone, der Erstautor der aktuellen Arbeit. Um die Eignung für die Quanteninformationsverarbeitung zu demonstrieren, schreiben die Forscher einen Quantenzustand in die verschränkten Teilchen ein und übertragen diesen auf das Photon. Aufgrund der superradianten Wechselwirkung wird das Photon fast doppelt so rasch erzeugt wie im früheren Experiment. „Durch die Ausnutzung der Superradianz wird der Informationstransfer von den Teilchen auf das Photon wesentlich zuverlässiger“, freut sich Casabone über das gelungene Experiment. Damit verringern sich auch die technischen Voraussetzungen für den Bau solcher Schnittstellen.

Schreib-Lese-Einheit für Quantenspeicher

In ihrem Experiment konnten die Innsbrucker Physiker über die Wechselwirkung zwischen den Teilchen und dem optischen Resonator auch subradiante Zustände erzeugen. Dabei wird die Emission von Photonen unterdrückt statt verstärkt. „Auch diese Zustände sind interessant, weil die Quanteninformation dadurch für den Resonator unsichtbar wird und so geschützt werden kann“, sagt Tracy Northup. Damit ist es sogar denkbar, durch ein Hin- und Herschalten zwischen sub- und superradianten Zuständen die Quanteninformation in den Teilchen gezielt abzufragen. In einem zukünftigen Quantencomputer könnten so adressierbare Lese- und Schreib-Operationen an einem Quantenregister realisiert werden.

Unterstützt werden die Physikerinnen und Physiker der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bei ihren Forschungen zu einer Quanten-Schnittstelle vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der europäischen Union und der Tiroler Industrie.

Publikation:
Enhanced quantum interface with collective ion-cavity coupling. B. Casabone, K. Friebe, B. Brändstatter, K. Schüppert, R. Blatt, and T. E. Northup. Phys. Rev. Lett. 114, 023602 DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.023602

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseaussendung der TU Wien vom 12.01.2015

Wer intelligente Computer haben will, muss ihnen Emotionen und Triebe einprogrammieren. An der TU Wien verknüpft man nun Computertechnik und Psychologie.

Computer können schneller rechnen, präziser Daten verwalten und besser Schach spielen als wir. Aber so richtig intelligent sind sie noch immer nicht – auch wenn man seit den Fünfzigerjahren an künstlicher Intelligenz forscht. Situationen zu verstehen, intuitiv zu reagieren und vorausschauende Entscheidungen zu treffen fällt Computern immer noch schwer. An der TU Wien kam man zu dem Schluss: Für echte Intelligenz braucht man Triebe, Emotionen, Gefühle. Viele elektronische Schaltelemente ergeben zusammen noch keine Intelligenz, man braucht übergeordnete Strukturen, wie man sie aus der menschlichen Psychologie kennt. Solche Strukturen werden nun an der TU Wien nun untersucht und entwickelt.

Ideen aus der Psychologie für den Computer

Sigmund Freud suchte nach Strukturen im menschlichen Geist: Er unterschied Bewusstes und Unbewusstes, er führte Kategorien wie das Ich, das Über-Ich und das Es ein. „Genau solche Strukturen haben wir nun auch als Funktionen in die künstliche Intelligenz eingeführt“, erklärt der Elektrotechniker Samer Schaat. Am Institut für Computertechnik der TU Wien lässt man daher seit Jahren die Psychologie in die künstliche Intelligenz miteinfließen.

Durch die Verbindung von Psychologie und Computertechnik entwickelte man einen groben Schaltplan der künstlichen Entscheidungsfindung, der nun als Basis für intelligente Computerprogramme dient. Dieser grobe Strukturplan legt fest, wie Erinnerungen, neue Wahrnehmungen oder innere Triebe Einfluss auf den aktuellen emotionalen Zustand ausüben, wie dadurch die Bewertung einer Situation beeinflusst wird und wie sich daraus neue Entscheidungen ergeben.

Essen, fliehen, kämpfen?

So gelingt es dem Team, intelligentes Verhalten nachzustellen. Zunächst wurden ganz einfache Welten programmiert, in denen eine künstliche Intelligenz mit künstlicher Psyche Entscheidungen treffen muss: Sie kann beispielsweise Hunger haben, sich aber gleichzeitig in einer bedrohlichen Situation befinden. Ist es nun besser zu essen, zu fliehen, oder gar die Konfrontation zu suchen? „Erst wenn man psychologische Effekte einbaut, zeigt das Programm ein Verhalten, das wir als menschenähnlich oder intelligent bezeichnen würden“, sagt Samer Schaat.

Die Evolution hat hunderte Millionen Jahre gebraucht, um psychische Strukturen hervorzubringen – die Entwicklung ging von einfacher Signalübertragung zwischen Nervenzellen über Triebe und Instinkte bis zu höheren kognitiven Fähigkeiten. „Man kann daher nicht erwarten, dass solche psychologischen Strukturen bei der Entwicklung von künstlicher Intelligenz ganz einfach von selbst auftauchen, nur weil man immer größere Computer verwendet. Wir verfolgen einen Top-Down-Ansatz: Die grobe Funktionsstruktur muss von vornherein vorgegeben werden“, sagt Samer Schaat. Man beginnt mit einer Programmarchitektur, die an die Psychologie angelehnt ist, und entwickelt dann den eigentlichen Programmcode.

Dass man Computer auf unterschiedlichen Ebenen betrachten muss, ist nicht neu: Es gibt die Ebene der elektronischen Bauteile, die Ebene des Betriebssystems, die Ebene der Anwendungsprogramme – und für jede Ebene gibt es eigene Sprachen und Werkzeuge. Darüber noch eine Zusatzebene einzuführen, die eine Rolle ähnlich der menschlichen Psyche spricht, ist im Grunde naheliegend.

Intelligente Häuser und computersimulierte Marktforschung

„In den letzten Jahren haben wir viel über die psychologischen Strukturen gelernt, die wir für die Programmierung künstlicher Intelligenz brauchen“, sagt Samer Schaat. „Nun sind wir so weit, die Erkenntnisse auch anzuwenden.“ Dabei geht es nicht darum, einen Menschen zu simulieren. Intelligenz ist beispielsweise auch bei der Steuerung von Haustechnik gefragt. Ein Gebäude könnte den inneren Trieb haben, möglichst wenig Energie zu verbrauchen und gleichzeitig den Bewohnern ein angenehmes Raumklima zu bieten. Derzeit wird daran gearbeitet, eine künstliche Psyche für solche Aufgaben zu entwickeln.

Sogar für die Sozialwissenschaft soll diese Art von Forschung nützlich sein: „Wir entwickeln derzeit auch ein System, das Konsumentscheidungen simuliert – ganz konkret die Wahl zwischen Ökostrom und herkömmlichem Strom“, sagt Schaat. Auch hier haben verschiedene psychologische Mechanismus einen Einfluss – etwa der Drang nach sozialer Anerkennung, wenn man eine moralisch als gut empfundene Entscheidung trifft. So könnte durch Computer-Psyche eine neue Forschungsmethode entstehen, die etwa für die Marktforschung interessante Daten liefert. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at