Pressemeldung der Universität Wien vom 06.08.2012

In Rahmen einer internationalen Kooperation sind PhysikerInnen der Universität Wien robusteren Quantentechnologien einen weiteren Schritt näher gekommen: Sie haben gezeigt, dass für essenzielle Operationen in der Quanten- informationsverarbeitung weniger empfindliche Ressourcen verwendet werden können. „Die von uns gezeigten Quanteneffekte können zur Entwicklung verbesserter Informations- oder Computersysteme beitragen“, so der Quantenphysiker der Universität Wien Philip Walther. In einem in „Nature Physics“ publizierten Experiment demonstrieren die WissenschafterInnen, dass die für zukunftsträchtige Quantentechnologien wesentliche Fern-Herstellung von Quantenzuständen auch ohne Verschränkung möglich ist.

Eine wesentliche Eigenschaft in der Quantenphysik ist, dass zwei oder mehrere Quantenteilchen stärker als klassisch möglich miteinander verbunden, d.h. korreliert, sein können – wie im Falle von Verschränkung. Bereits Erwin Schrödinger – einer der Gründer der heutigen Quantentheorie und österreichischer Nobelpreisträger – hat erkannt, dass die Beeinflussung eines Teilchens durch eine Messung von außen auch den Zustand des mit ihm verschränkten Teilchens verändert. Dabei ist es irrelevant, wie weit die beiden verschränkten Teilchen voneinander entfernt sind. Dies ermöglicht die gezielte Fern-Herstellung von Quantenzuständen und dient einer Reihe von Anwendungen wie der Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und der Quantencomputer.

Quanten-Discord als Ressource

Üblicherweise wird der Grad der Verschränkung zweier Teilchen gleich gesetzt mit der unmittelbaren Nützlichkeit für quantentechnologische Anwendungen. Stark verschränkte Systeme reagieren sehr sensibel auf äußere Einflüsse und sind schwer herzustellen. Forschungsteams um die Quantenphysiker der Universität Wien Caslav Brukner und Philip Walther haben gezeigt, dass für eine erfolgreiche Fern-Herstellung eines Quantenzustandes nicht Verschränkung, sondern eine andere robustere Korreliertheit, der so genannte Quanten-Discord, als Ressource ausreicht. Dieses noch weitgehend unverstandene Maß gibt an, wie stark ein System gestört wird, wenn ein Beobachter seine Eigenschaften misst.

Fern-Herstellung von Quantenzuständen

Mit Hilfe von quantenmechanisch präparierten Photonenpaaren haben die ForscherInnen die Fern-Herstellung von Quantenzuständen untersucht. „Durch die Messung des Polarisationszustandes eines Photons können wir den Zustand des dazugehörigen Partnerphotons fern-herstellen“, erklärt Philip Walther. „Im Experiment haben wir beobachtet, wie sich das Variieren des Quanten-Discords auf die Qualität unseres fern-hergestellten Zustands auswirkt.“ Dabei konnte das Forschungsteam demonstrieren, dass die Fern-Herstellung von Quantenzuständen sogar ohne Verschränkung möglich ist, sofern im System Quanten-Discord vorliegt. Diese Erkenntnis ist für die Entwicklung von zukünftigen Quantentechnologien vielversprechend: In Zukunft könnten nicht verschränkte robustere Quantensysteme als Ressource herangezogen werden, was den Zugang zur Quantentechnik erheblich erleichtern würde.

Das Projekt ist eine Kollaboration von ForscherInnen der Fakultät für Physik der Universität Wien, des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, des Centre for Quantum Technologies of the National University of Singapore und der University of Oxford.

Publikation:
„Quantum discord as resource for remote state preparation“: Borivoje Dakic, Yannick-Ole Lipp, Xiaosong Ma, Martin Ringbauer, Sebastian Kropatschek, Stefanie Barz, Tomasz Paterek, Vlatko Vedral, Anton Zeilinger, Caslav Brukner, Philip Walther
(Nature Physics 2012)
DOI: 10.1038/NPHYS2377

Externer Link: www.univie.ac.at

Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 23.07.2012

Keramische Implantate für Jedermann

Wenn Politiker, wie zuletzt Gesundheitsminister Daniel Bahr, laut darüber nachdenken, den Einsatz künstlicher Hüft- oder Kniegelenke aus Kosten-/Nutzenabwägungen für bestimmte Bevölkerungsgruppen künftig zu begrenzen, folgt das Dementi meist auf dem Fuß. Dennoch ist es von großer gesellschaftlicher Bedeutung, die Kosten für dauerhafte Implantate wie etwa Gelenkprothesen/Endoprothesen zu senken, wenn die Versorgung in Deutschland gesichert und Endoprothesen auch in Entwicklungs- und Schwellenländern erschwinglich werden sollen. Wissenschaftler des Instituts für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) der Universität Stuttgart arbeiten an einer neuen Technologie auf Basis des keramischen Spritzgießens, mit der die Herstellkosten solcher Implantate deutlich gesenkt werden können.

Herkömmlich werden bei Hüft- und Knieoperationen routinemäßig Implantate aus Spezialstahl und einem Kunststoffgegenkörper aus Niederdruck-Polyethylen (NDPE) eingesetzt. Diese sind zwar vergleichsweise kostengünstig, ihre Gebrauchsdauer ist jedoch je nach Belastung auf zehn bis 15 Jahre begrenzt. Deutlich langlebiger sind keramische Implantate, deren überlegene Werkstoffeigenschaften eine Reduktion des Verschleißes und eine bessere Biokompatibilität (Verträglichkeit) gewährleisten, wodurch Entzündungen im Gewebe vermindert und die Implantatlockerung verlangsamt werden. Zudem wachsen sie schneller ein und die Patienten kommen nach einer Operation rasch wieder auf die Beine. Ihr Nachteil: Die Herstellung und Endbearbeitung der spiegelglatt geschliffenen, harten und zähen Keramik erfordert eine Vielzahl an Arbeitsschritten und ist dementsprechend teuer. Dieser Problematik hat sich Mohammed Abou El-Ezz am Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering Stuttgart (GSaME) angenommen. Der 26-jährige Absolvent der German University of Cairo (GUC) versucht, durch einen deutlich preiswerteren Fertigungsweg Keramikimplantate einem größeren und weniger vermögenden Patientenkreis zugänglich zu machen. Die Arbeit wird durch die Hans-Böckler-Stiftung finanziert und durch Institutsleiter Prof. Rainer Gadow sowie den Leiter der Abteilung Hochleistungskeramiken, Dr. Frank Kern, betreut.

Grundlegend neuer Ansatz

Um die erforderlichen hohen Qualitäten implantatkeramischer Produkte mit den Kostenzielen für einen breiteren Markt in Einklang zu bringen, wählen die Wissenschaftler einen grundlegend neuen Ansatz entlang der gesamten Prozesskette von der Rohstoffkonditionierung über das Formgebungsverfahren bis zur Endbearbeitung. Ihr Ziel ist es, durch die Anwendung des keramischen Spritzgießens (CIM) Implantate in einer Geometrie herzustellen, die der Endkontur schon sehr nahe kommt. Dieses in der Fachsprache als „Net-shape-Formgebung“ bezeichnete Konzept in Verbindung mit dem CIM-Verfahren macht es möglich, die Taktzeit sowie die kostspielige Nacharbeit erheblich zu reduzieren. Allerdings erfordert das Verfahren einen höheren Anteil an Bindemittel und Hilfsstoffen, wodurch sich die Wärmebehandlung und die chemische Technik komplizierter gestalten. Im Rahmen des Projektes wurden zunächst hochfeste und zähe Mischoxidkeramiken entwickelt, die für die Spritzgießtechnik geeignet sind: Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Nanokomposite (ZTA: zirconia toughened alumina). Hinter der Abkürzung verbergen sich keramische Hochleistungswerkstoffe für biomedizinische Anwendungen, die eine hohe Festigkeit, Biokompatibilität und Härte besitzen. Dadurch sind sie metallischen Werkstoffen in orthopädischen Anwendungen überlegen. Die üblichen Nachteile der Keramiken, insbesondere die Sprödbruchanfälligkeit, können durch Verstärkungsmechanismen auf der mikroskopischen Ebene des Werkstoffgefüges vermieden werden, welche zu einer Steigerung der Bruchzähigkeit, Härte und Dauerfestigkeit führen. Auf der Basis detaillierter Analysen der Bauteilgefüge und der Versagenskriterien sollen die Prozesse und Materialien schließlich so optimiert werden, dass man preiswerte Implantate von hoher Zuverlässigkeit in großen Stückzahlen herstellen kann.

Erste Versuche sind vielversprechend

Bereits im Frühjahr wurden am IFKB erste spritzgegossene Hüftgelenksimplantate aus ZTA-Verbundkeramik hergestellt, wobei eine Spritzgußform zum Einsatz kam, die das deutsch-ägyptische Unternehmen HBW Gubesch Egypt in Kairo im Rahmen eines Technologietransferprojektes konstruiert und gefertigt hat. „Die Ergebnisse sind vielversprechend und lassen hoffen, dass diese neue Prozessroute für keramische Implantate dazu beitragen kann, die unmittelbaren Herstellkosten dieser Produkte um bis zu 30 Prozent zu senken“, freuen sich Mohammed Abou El-Ezz und sein Doktorvater Prof. Gadow. „Wir gehen davon aus, dass sich dadurch der Kreis der Patientengruppen, die von dieser modernen Werkstofftechnologie in der Medizintechnik profitieren, in der Zukunft erheblich erweitert.“ Durch die Erhöhung der Lebensdauer der Prothesen steigt nicht nur die Lebensqualität der einzelnen Betroffenen. Auch die Gesundheitskosten werden real gesenkt, da weniger Ersatzoperationen und Nachsorgemaßnahmen notwendig werden. Bei einer demografischen Entwicklung mit einer steigenden Anzahl alter Menschen ist dies von erheblichem gesellschaftlichem Interesse, was die Bedeutung von Forschung und Entwicklung vom Werkstoff bis zur industriellen Fertigungstechnik nicht nur für den Standort Baden-Württemberg unterstreicht.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de