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PhysikerInnen stopfen „Schlupfloch“ in Quantenexperimenten

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Pressemeldung der Universität Wien vom 14.04.2013

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor für Experimentalphysik der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW, hat einen Versuch mit Photonen durchgeführt, bei dem nun ein wichtiges „Schlupfloch“ geschlossen werden konnte. Der Nachweis, dass und wie die Quantenwelt unserer Alltagserfahrung widerspricht und weitere Ergebnisse dieser Arbeit erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift Nature (Advance Online Publication/AOP).

Wenn wir einen Gegenstand beobachten, dann gehen wir davon aus, dass einerseits seine Eigenschaften schon vor der Beobachtung eindeutig feststehen und dass andererseits diese Eigenschaften unabhängig sind vom Zustand anderer, weit entfernter Objekte. Für Gegenstände unseres Alltags ist dem auch so. Für Quantenobjekte hingegen treffen diese scheinbar selbstverständlichen Annahmen nicht ohne weiteres zu. In den vergangenen 30 Jahren haben zahlreiche Experimente gezeigt, dass das Verhalten von Quantenteilchen – wie Atome, Elektronen oder Photonen – in klarem Widerspruch mit obiger Wahrnehmung stehen kann. Jedoch haben diese Experimente nie über alle Zweifel erhabene Antworten geliefert. Stets war es im Prinzip möglich, dass die beobachteten Teilchen eine Schwäche des Experiments „ausgenützt“ hatten. Ein Team um Physiker Anton Zeilinger hat nun einen Versuch mit Photonen durchgeführt und dabei ein wichtiges „Schlupfloch“ geschlossen. Die ForscherInnen haben damit den bisher vollständigsten experimentellen Nachweis erbracht, dass und wie die Quantenwelt unserer Alltagserfahrung widerspricht.

Die Quantenphysik liefert ein extrem präzises und fundamentales Werkzeug, um die Welt um uns bis in kleinste Details zu verstehen. Sie ist aber auch Grundlage für die moderne Hochtechnologie: Halbleiter (und damit Computer), Laser, Magnetresonanztomographen und andere Geräte basieren auf quantenphysikalischen Effekten. Dies kann jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass nach mehr als einem Jahrhundert intensiver Forschung fundamentale Aspekte der Quantentheorie noch nicht vollkommen verstanden sind. Auch heute noch werden aus Laboratorien weltweit – jeder Intuition widersprechende Ergebnisse – gemeldet, die jedoch im Rahmen der Quantentheorie erklärt werden können.

Dem Rätsel der Quantenverschränkung auf der Spur

Die Wiener PhysikerInnen berichten nun aber nicht von einem neuen Effekt, sondern sind einem der grundlegendsten Phänomene der Quantenphysik, der sogenannten „Verschränkung“, tiefer auf den Grund gegangen. Die Konsequenzen der Quantenverschränkung sind verblüffend: Wenn man ein Quantenobjekt misst, das mit einem anderen verschränkt ist, dann, so sagt die Quantentheorie, ist der Zustand eines Teilchens von der Messung, die an dem anderen durchgeführt wird, abhängig. Dies ist auch der Fall, wenn die beiden Teilchen so weit voneinander entfernt sind, dass sie selbst im Prinzip nicht miteinander kommunizieren können (die Kommunikationsgeschwindigkeit ist grundlegend durch die Lichtgeschwindigkeit beschränkt). Eine große Aufgabe ist es, die Vorhersage der gegenseitigen Beeinflussung verschränkter Quantenteilchen in realen Experimenten zu testen.

Auf dem Weg zu einer abschließenden Antwort

Anton Zeilinger und den jungen WissenschafterInnen Marissa Giustina, Alexandra Mech, Rupert Ursin, Sven Ramelow und Bernhard Wittmann ist in einer internationalen Kooperation mit dem National Institute of Standards and Technology (USA), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Deutschland) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Deutschland) ein wichtiger Schritt gelungen, um einen endgültigen experimentellen Beweis zu erbringen, dass Quantenteilchen in der Tat mehr können als die klassische Physik ihnen erlaubt. Technologische Verbesserungen gemeinsam mit einem geeigneten Aufnahmeprotokoll ermöglichten den Forschenden, verschränkte Photonen mit einer bisher nicht dagewesenen Effizienz zu detektieren. „Die erzeugten Photonen können sich nicht mehr davor drücken, gemessen zu werden“, bringt es Zeilinger auf den Punkt.

Diese engmaschige Überwachung der Photonen ist wichtig, weil damit ein wesentliches „Schlupfloch“ geschlossen wird. Bei bisherigen Experimenten dieser Art blieb stets die Möglichkeit offen, dass die gemessenen Lichtteilchen zwar die Gesetze der klassischen Physik verletzt hatten, dies aber nicht der Fall gewesen wäre, wenn alle im Experiment involvierten Teilchen hätten gemessen werden können. Diese Möglichkeit wird in dem neuen Experiment ausgeschlossen. „Viele Wissenschaftler haben sich bis jetzt gescheut, Experimente mit Photonen durchzuführen, weil diese zu einfach verloren gehen – genau dieses Problem haben wir jetzt im Griff“, erklärt Marissa Giustina, Erstautorin der aktuellen Publikation.

Noch ein Schritt zum krönenden Abschluss

Mit dem neuen Experiment von Marissa Guistina und ihren KollegInnen sind Photonen die ersten Quantenteilchen, für die – zwar nicht in einem einzigen, aber – in mehreren separaten Experimenten jede mögliche Hintertür geschlossen wurde. Die Krönung wäre jedoch noch ein einziges Experiment, in welchem den Photonen durch Mittel der klassischen Physik sämtliche mögliche Wege versperrt werden würde. Ein solches Experiment wäre auch für eine wichtige praktische Anwendung von grundlegender Bedeutung: Die sogenannte Quantenkryptographie beruht auf quantenmechanischen Prinzipien und gilt als absolut abhörsicher. Ein Lauschangriff ist aber im Prinzip möglich, solange „Schlupflöcher“ bestehen. Nur wenn diese geschlossen sind, ist ein vollkommen sicherer Austausch von Nachrichten möglich.

„Ein Experiment ohne jedes Schlupfloch“, sagt Zeilinger, „ist eine große Herausforderung. Daran arbeiten einige Gruppen weltweit.“ Diese Experimente werden nicht nur mit Photonen versucht, sondern auch mit Atomen, Elektronen und anderen Systemen, die quantenmechanisches Verhalten an den Tag legen. Das Experiment der Wiener PhysikerInnen zeigt aber deutlich das Potenzial, das in Photonen steckt, auf. Dank diesen Fortschritten gehen dem Photon die „Schlupfwinkel“ aus und die PhysikerInnen sind näher denn je an einem Experiment, das belegt, dass die Quantenphysik wirklich so sehr gegen unsere Intuition und Alltagserfahrung verstößt, wie dies die Forschungsarbeiten der vergangenen Jahrzehnte nahelegen.

Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit folgender Institutionen: Institut für Quantenoptik und Quanteninformation – Wien / IQOQI Wien (Österreichische Akademie der Wissenschaften), Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation, Fakultät für Physik (Universität Wien), Max-Planck-Institut für Quantenoptik, National Institute of Standards and Technology / NIST, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin.

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt von: ERC (Advanced Grant), Austrian Science Fund (FWF), CoQuS, Marie Curie Research Training Network EMALI, die John Templeton Foundation und NIST Quantum Information Science Initiative (QISI).

Publikation:
Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption: Marissa Giustina, Alexandra Mech, Sven Ramelow, Bernhard Wittmann, Johannes Kofler, Jörn Beyer, Adriana Lita, Brice Calkins, Thomas Gerrits, Sae Woo Nam, Rupert Ursin, Anton Zeilinger. In: Nature (Advance Online Publication/AOP). April 14, 2013. DOI: 10.1038/nature12012

Externer Link: www.univie.ac.at

Schneller als Blitzeis: System der TU Graz ermöglicht Prognosen zum Straßenzustand

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Pressemitteilung der TU Graz vom 09.04.2013

Kombination aus punktgenauen Messdaten und Wetterinfos als Entscheidungshilfe für Autobahnbetreiber und Straßendienste

Wenn wie bei Tunnelportalen zwei „Klimazonen“ aufeinandertreffen, kann der Straßenzustand innerhalb kürzester Zeit gefährlich werden. Um die Unfallgefahr bei Blitzeis zu minimieren, hilft nur „blitzschnelles“ Handeln, nämlich Streuen und eine verordnete Geschwindigkeitsreduktion. Ein Team des Instituts für Hochfrequenztechnik der TU Graz hat ein „Weather Data Management System“ entwickelt, das Daten von speziellen Sensoren am Straßenrand wie etwa Bodentemperatur oder Luftfeuchte mit großräumigen Wetterinformationen verknüpft. Die Software erlaubt Prognosen über den Straßenzustand und informiert Autobahnbetreiber und Straßeneinsatzkräfte in Echtzeit über kritische Stellen. In Bayern ist das System bereits erfolgreich im Einsatz.

Tunnelportale, Autobahnbrücken, kurvige Landstraßen: Kritische Stellen auf Autobahnen und Straßen werden noch kritischer, wenn sich der Straßenzustand „blitzartig“ verändert, beispielsweise vereist. „Gerade im Bereich der Tunnelportale kann sich der Straßenzustand sehr schnell verschlechtern. Fahrzeuge schleppen Staub und Nässe hinein, dazu kommt ein oft nicht unerheblicher Temperaturunterschied“, erklärt Wolfgang Bösch, Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik der TU Graz. Sein Team hat eine Software entwickelt, die die Unfallgefahr in solchen Situationen mildern kann: „Unser ‚Weather Data Management System‘, kurz WDMS, kann laufend und punktgenau den Straßenzustand erheben, Prognosen abgeben und diese Infos direkt Autobahnbetreibern und Straßendiensten übermitteln“, erläutert der Forscher.

Vernetzte Prognose

Konkret überlagert WDMS sehr punktuell ortsbezogene Daten, die von verschiedenen Sensoren entlang der Straße oder Autobahn erhoben werden, mit großflächigen Wetterinformationen und berücksichtigt auch jede zuvor erfolgte Straßenreinigung oder Streumaßnahme. „Die Sensoren messen an besonders kritischen Stellen unterschiedliche Werte wie etwa Luftfeuchte, Straßenbelagstemperatur oder Niederschlag. WDMS wertet diese Daten in Verbindung mit Informationen aus dem Wetterradarnetz aus und schlägt Alarm, sollte der Straßenzustand kritisch sein oder in Kürze kritisch werden“, erklärt Walter Randeu, der ebenso dem Forscherteam der TU Graz angehört. Das Besondere ist die Möglichkeit, dank WDMS gefährliche Straßenzustände sehr rasch zu erkennen und im Akut-Fall entsprechende Sofortmaßnahmen wie Streudienste oder Geschwindigkeitsreduktionen einzuleiten. „Die Daten werden nicht nur aufgezeichnet, sondern gehen laufend aktualisiert an das Autobahn- und Straßenpersonal, egal ob in ortsfesten Stützpunkten oder unterwegs im Einsatzfahrzeug“, so Randeu.

Heimische Technologie erfolgreich im Ausland

In Bayern ist das System nun bereits das dritte Jahr erfolgreich im Einsatz, rund 200 Sensoren liefern den Grazer Forschern die entsprechenden Daten. „Ziel ist es, dass letztlich kein Fleck auf bayrischen Straßen und Autobahnen WDMS-frei bleibt“, so Randeu. Auch in Österreich wäre der Einsatz der heimischen Software sehr gut machbar.

Externer Link: www.tugraz.at

Diamant als Baustoff für optische Schaltkreise

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.04.2013

Materialrevolution in der Optomechanik ermöglicht Bauteile aus einem Guss / Polykristalliner Diamant ist robust und einfacher industriell zu verarbeiten / Präzisions-Sensoren für Schwingung

Der Einsatz von Licht zur Informationsverarbeitung öffnet viele Möglichkeiten. Um die Photonen des Lichts jedoch gezielt in Schaltkreisen und Sensoren einzusetzen, werden Materialien benötigt, die die richtigen optischen und mechanischen Eigenschaften mitbringen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun erstmals polykristallinen Diamant für einen optischen Schaltkreis eingesetzt und ihre Ergebnisse bei Nature Communications online veröffentlicht. (DOI: 10.1038/ncomms2710)

„Diamant hat mehrere Eigenschaften, die es uns ermöglichen, alle Komponenten eines einsatzbereiten optomechanischen Schaltkreises sozusagen aus einem Guss zu realisieren“, sagt Wolfram Pernice Gruppenleiter am KIT. „Die so hergestellten Elemente – die Resonatoren, Schaltkreise und der Wafer – überzeugen durch ihre hohe Qualität.“

Diamant ist durchsichtig, also optisch transparent für Lichtwellen aus einem weiten Wellenlängenbereich, der auch das sichtbare Spektrum zwischen 400 und 750 Nanometer Wellenlänge abdeckt. Damit lässt er sich gezielt in optomechanischen Schaltungen für Anwendungen in der Sensorik, der Fluoreszenz-Bildgebung oder für neuartige optische Messmethoden in der Biologie einsetzen. Sein hoher Brechungsindex und das Fehlen von Absorption sorgen für einen effizienten Transport der Photonen. Darüber hinaus macht ihn sein hohes Elastizitätsmodul zu einem robusten Werkstoff, der sich gleichzeitig hervorragend an raue Oberflächen anpasst und dabei noch die Eigenschaft hat, Wärme schnell wieder abzugeben.

Bislang wurden optische Schaltkreise nur mit einkristallinen Diamantsubstraten realisiert. Das sind hochreine Kristalle, bei denen unter einer Milliarden Diamant-Atomen höchstens ein Fremdatom vorkommt. Ihre Herstellung ist auf kleine Größen begrenzt und erfordert ein anspruchsvolles Verfahren, um sie auf Isolatoren, die für einen Schaltkreis benötigt werden, aufzubringen.

Die Forschungsgruppe von Pernice nutzte für die Realisierung ihrer optomechanischen Schaltkreise auf einem Wafer erstmals polykristallinen Diamant. Dieser weist zwar unregelmäßigere Kristallstrukturen auf, verhält sich aber insgesamt robuster und lässt sich entsprechend einfacher auf Isolatoren aufbringen. Dadurch kann man ihn großflächiger als den einkristallinen Diamanten verarbeiten. Er leitet die Photonen nahezu genauso effizient weiter wie einkristallines Diamantsubstrat und ist für den industriellen Einsatz geeignet. Das neue Material hat die Realisierung eines optomechanischen Bauteiles aus einem Guss erst ermöglicht.

Die Optomechanik verbindet die integrierte Optik mit mechanischen Elementen – im Fall des optomechanischen Schaltkreises der Gruppe Pernice mit nanomechanischen Resonatoren. Diese schwingfähigen Systeme reagieren auf eine bestimmte Frequenz. Tritt diese Frequenz auf, schwingt der Resonator mit. „Nanomechanische Resonatoren gehören zu den empfindlichsten Sensoren überhaupt und werden für eine Vielzahl von Präzisionsmessungen eingesetzt. Allerdings ist es extrem schwierig, solche kleinsten Bauteile mit etablierten Messmethoden anzusprechen“, erklärt Patrik Rath, Erstautor der Studie. „In unserer Arbeit haben wir die Tatsache genutzt, dass heute nanophotonische Bauelemente größengleich mit nanoskaligen mechanischen Resonatoren angefertigt werden können. Reagiert der Resonator, werden entsprechende optische Signale direkt an den Schaltkreis weitergegeben.“ Diese Entwicklung ermöglichte die Kombination dieser beiden ehemals getrennten Forschungsfeldern und somit die Realisierung von sehr effizienten optisch-mechanischen Schaltungen.

Die integrierte Optik funktioniert ähnlich wie integrierte Schaltkreise. Optische Schaltkreise geben Information über Photonen weiter, in den uns vertrauten elektronischen Schaltkreisen geschieht dies über Elektronen. Ziel der integrierten Optik ist es, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsprozesses erforderlichen Komponenten in einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen und so den Umweg über elektrische Signale zu vermeiden. In beiden Fällen werden die Schaltkreise auf weniger als ein Millimeter dicken Platten, auf sogenannten Wafern, aufgebracht.

Der polykristalline Diamant wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Firma Diamond Materials in Freiburg hergestellt. Die im Rahmen des Projekts „Integrated Quantum-Photonics“ am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) in Karlsruhe hergestellten Prototypen eröffnen neue Wege für komplett optisch gesteuerte Plattformen, wie sie in der Grundlagenforschung und in der erweiterten Sensor-Anwendung vermehrt benötigt werden. Sensor-Anwendungen sind beispielsweise Beschleunigungsmesser, die sie in zahlreichen elektronischen Geräten integriert sind: vom Sensor für den Airbag bis hin zur Wasserwaage für das Smartphone. (te)

Externer Link: www.kit.edu

Wie organische Magnete in einem dünnen Film wachsen

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 22.03.2013

Wissenschaftler der Universität Tübingen untersuchen einen ersten Schritt zur Nutzung neuer Speichertechnologien

Die Entwicklung organischer, aus einzelnen Molekülen bestehender Magnete eröffnet eine ganze Reihe von Anwendungsmöglichkeiten für magnetische Materialien und neuartige Speichertechnologien. Organische Magnete sind leichter, flexibler und weniger energieaufwendig in der Herstellung als herkömmliche Magnete. Wissenschaftler im Labor von Dr. Benedetta Casu und Professor Thomas Chassé am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen haben zusammen mit Kollegen der Universität Florenz einen ersten Schritt auf dem Weg neuer Anwendungen für organische Magnete untersucht: Ihre kontrollierte Herstellung in einem dünnen Film.

Organische Magnete sind chemische Verbindungen, die auf Kohlenstoff basieren und keine klassischen magnetischen Stoffe wie Eisen enthalten. Sie sind paramagnetisch, zeigen also nur so lange magnetische Eigenschaften, wie sie sich in der Nähe eines Magnetfelds befinden. Dafür ist entscheidend, dass sie mindestens ein ungepaartes Elektron enthalten, das dem Molekül einen magnetischen Charakter verleihen kann. In der Chemie heißen solche Stoffe auch freie Radikale. Bisher wurden organische Magnete vorrangig im Hinblick auf ihre chemischen Eigenschaften untersucht. In der neuen Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler jedoch auf die Herstellung molekularer Magnete in einem sehr dünnen Film im Nanometerbereich, das sind Dimensionen von Millionstel Millimetern. Sie lassen dabei das Molekül NitPyn, ein Abkömmling des Nitronyl-Nitroxid-Radikals, das sich bereits zuvor als recht stabiler organischer Magnet erwiesen hatte, in geordneter Struktur auf einem einzelnen Goldkristall aufwachsen.

Die Wissenschaftler haben ein Verfahren zur Bildung dünner Filme von organischen Stoffen erstmals für die Herstellung einer dünnen Schicht aus organischen Magneten genutzt. Anschließend wiesen sie nach, dass die paramagnetischen Eigenschaften des NitPyn stabil erhalten blieben, auch nach Verdampfung und Wachstum der Filme. Auch die Grenzfläche zwischen den Goldkristallen und der NitPyn-Schicht unterzogen sie einer genauen Untersuchung.

Mit der Herstellung dieser neuen, rein auf organischen Stoffen beruhender Magnete haben die Wissenschaftler eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Bauteilen für neuartige Speichertechnologien geschaffen: Ziel ist, dass ein einzelnes Molekül eine Informationseinheit tragen kann und so eine sehr große Datenmenge auf sehr kleinem Raum gespeichert wird. Dieses Projekt an der Schnittstelle von Physik, Chemie, Materialwissenschaft und Technologie soll das Potenzial dieser Materialien für eine organische Elektronik nutzbar machen.

Originalveröffentlichung:
Sabine-Antonia Savu, Indro Biswas, Lorenzo Sorace, Matteo Mannini, Donella Rovai, Andrea Caneschi, Thomas Chassé, Maria Benedetta Casu: Nanoscale Assembly of Paramagnetic Organic Radicals on Au(111) Single Crystals. Chemistry – A European Journal, Band 19, Ausgabe 10, Seiten 3445-3450, 4. März 2013.

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Kampf gegen den Bot

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Presseinformation der Universität Göttingen vom 19.03.2013

Göttinger Doktorand entwickelt neues System zur Erkennung von Schadsoftware im Internet

(pug) Bot-Netzwerke gehören zu den größten Sicherheitsproblemen im IT-Bereich – sie sind verantwortlich für Spam, Identitätsdiebstahl und sogenannte Denial-of-Service-Attacken. Wissenschaftler der Universität Göttingen haben nun in Zusammenarbeit mit der University of California in Santa Barbara ein neues System zur Erkennung solcher Schadsoftware im Internet entwickelt. Im Gegensatz zu bisherigen Systemen stellt der Göttinger „BotFinder“ eine geringere Belastung für das Netzwerk dar und ist in der Lage, auch verschlüsselte Daten zu analysieren. Zudem dringt es deutlich weniger in die Privatsphäre der betroffenen Nutzer ein.

Bot-Netzwerke werden von einer Software gesteuert, die einen infizierten Computer an ein großes, unter krimineller Kontrolle stehendes Netzwerk anbindet. Klassische auf einem Computer installierte Virenscanner erfordern regelmäßige Aktualisierungen durch den Nutzer und sind nur bedingt in der Lage, Bot-Infektionen überhaupt zu erkennen. Netzwerkbasierte Systeme versuchen, den Datentransfer zwischen dem infizierten Rechner und dem Kontrollserver des Bot-Netzwerkes zu finden und auszuwerten. Bislang war es erforderlich, dass dabei jedes Datenpaket genau untersucht und der gesamte Inhalt ausgewertet wurde – eine sehr aufwändige Methode, die außerdem bei verschlüsselten Übertragungen nicht funktioniert.

„BotFinder“ hingegen ist in der Lage, Bot-Infektionen durch eine statistische Analyse des Datenverkehrs zu erkennen. „Wir benötigen keine inhaltliche Untersuchung der einzelnen Pakete mehr, sondern ermitteln statistische Schlüsselfaktoren, die den Datenverkehr infizierter Rechner von dem normaler Computer unterscheiden“, erläutert Dr. Florian Tegeler, der das System im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Netzwerkgruppe am Institut für Informatik der Universität Göttingen entwickelte. BotFinder nutzt Techniken des maschinellen Lernens und erzeugt Modelle des Datenverkehrs mit dem Bot-Netzwerk. „Unsere Tests haben gezeigt, dass BotFinder eine hohe Erkennungsrate bei niedriger Fehlerquote aufwies“, so Dr. Tegeler. „Darüber hinaus arbeitet es leistungsstärker als bisherige netzwerkbasierte Lösungen.“

Externer Link: www.uni-goettingen.de