Neue Methode schützt Quantencomputer vor Ausfällen

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 09.09.2020

Quanteninformation ist fragil, weshalb Quantencomputer in der Lage sein müssen, Fehler zu korrigieren. Was aber, wenn ganze Qubits verloren gehen? Forscher der Universität Innsbruck präsentieren in Zusammenarbeit mit Kollegen der RWTH Aachen und der Universität Bologna in der Fachzeitschrift Nature nun eine Methode, mit der Quantencomputer auch dann weiterrechnen können, wenn sie einige Qubits verlieren.

Die Träger von Quanteninformation, die sogenannten Qubits, sind anfällig für Fehler, die durch unerwünschte Wechselwirkungen mit der Umwelt verursacht werden. Diese Fehler häufen sich während einer Quantenrechnung an, ihre Korrektur ist für den zuverlässigen Einsatz von Quantencomputern eine zentrale Voraussetzung. Ähnlich wie der klassische Computer benötigt auch der Quantencomputer eine funktionierende Fehlerkorrektur.

Inzwischen können Quantencomputer mit einer gewissen Anzahl von Rechenfehlern, wie zum Beispiel Bitflip- oder Phasenflip-Fehlern, umgehen. Zusätzlich zu diesen Fehlern können jedoch auch Qubits ganz aus dem Quantenregister verloren gehen. Je nach Art des Quantencomputers kann dies auf den tatsächlichen Verlust von Teilchen wie Atomen oder Ionen zurückzuführen sein, oder darauf, dass Quantenteilchen beispielsweise in unerwünschte Energiezustände übergehen, welche nicht mehr als Qubit erkannt werden. Wenn ein Qubit verloren geht, wird die Information in den verbleibenden Qubits unlesbar und ungeschützt. Für das Ergebnis der Berechnung kann dieser Prozess zu einem potentiell verheerenden Fehler werden.

Verlust in Echtzeit erkennen und korrigieren

Ein Team von Physikern um Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun in Zusammenarbeit mit Theoretischen Physikern aus Deutschland und Italien fortgeschrittene Methoden entwickelt und implementiert, die es ihrem Ionenfallen-Quantencomputer erlauben, sich in Echtzeit an den Verlust von Qubits anzupassen und den Schutz der fragilen Quanteninformation aufrechtzuerhalten. „In unserem Quantencomputer können die Ionen, die die Qubits speichern, für sehr lange Zeit, sogar Tage, gefangen werden“, erzählt Roman Stricker aus dem Team von Rainer Blatt. „Unsere Ionen sind jedoch viel komplexer als die vereinfachte Beschreibung als zweistufiges Qubit vermuten lässt. Dies bietet ein großes Potenzial und zusätzliche Flexibilität bei der Steuerung unseres Quantencomputers, führt aber leider auch dazu, dass Quanteninformation aufgrund von unvollkommenen Rechenoperationen oder Zerfallsprozessen verloren geht.“ Mit einem von der Theorie-Gruppe um Markus Müller an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich in Zusammenarbeit mit Davide Vodola von der Universität Bologna entwickelten Ansatz hat das Innsbrucker Team gezeigt, dass ein solcher Verlust in Echtzeit erkannt und korrigiert werden kann. Müller betont, dass „die Kombination von Quantenfehlerkorrektur und der Korrektur von Qubit-Verlusten ein notwendiger nächster Schritt in Richtung großer und robuster Quantencomputer ist“.

Breit einsetzbare Methoden

Die Forscher mussten zwei Schlüsseltechniken entwickeln, um ihren Quantencomputer vor dem Verlust von Qubits zu schützen. Die erste Herausforderung bestand darin, den Verlust eines Qubit überhaupt zu erkennen: „Die direkte Messung des Qubits ist keine Option, da dies die darin gespeicherte Quanteninformation zerstören würde“, erklärt Philipp Schindler von der Universität Innsbruck. „Wir konnten dieses Problem überwinden, indem wir eine Technik entwickelten, bei der wir mit einem zusätzlichen Ion prüfen, ob das fragliche Qubit noch vorhanden ist oder nicht, ohne es aber zu stören“, erläutert Martin Ringbauer. Die zweite Herausforderung bestand darin, den Rest der Berechnung in Echtzeit anzupassen, falls tatsächlich ein Qubit verloren geht. Diese Anpassung ist entscheidend, um die Quanteninformation nach einem Verlust zu entschlüsseln und die verbleibenden Qubits zu schützen. Der Leiter des Innsbrucker Teams, Thomas Monz, betont, dass „alle in dieser Arbeit entwickelten Bausteine leicht auf andere Quantencomputerarchitekturen und andere führende Protokolle zur Quantenfehlerkorrektur anwendbar sind“.

Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG und der Europäischen Union finanziert.

Publikation:
Experimental deterministic correction of qubit loss. Roman Stricker, Davide Vodola, Alexander Erhard, Lukas Postler, Michael Meth, Martin Ringbauer, Philipp Schindler, Thomas Monz, Markus Müller, Rainer Blatt. Nature 2020 doi: 10.1038/s41586-020-2667-0

Externer Link: www.uibk.ac.at

OTH Amberg-Weiden und MR:comp – Neue Prüfmethode für MR-sichere aktive Implantate

Pressemeldung der OTH Amberg-Weiden vom 01.09.2020

Nach zweijähriger Projektlaufzeit endete nun ein erfolgreiches Gemeinschaftsprojekt der OTH Amberg-Weiden und der Gelsenkirchener Firma MR:comp GmbH. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Prüfmethode für MR-sichere Verfahren bei aktiven Implantaten.

Durch das neu entwickelte Prüfverfahren ist es für Hersteller zukünftig einfacher und kostengünstiger möglich, ihre Produkte auf MR-Sicherheit zu testen und kennzeichnen zu lassen. Zudem erfüllt das Verfahren bereits heute die Anforderungen, welche die aktualisierte ISO/TS 10974 ab 2022 vorschreibt. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)“ mit insgesamt rund 340.000 €.

War eine MRT-Untersuchung für Träger aktiver Implantate früher noch gänzlich ausgeschlossen, sind seit 2012 in der ISO/TS 10974 bedingt MR-sichere Implantate beschrieben. Um diese Kennzeichnung zu erhalten, müssen Produkte einige Tests durchlaufen. So werden unerwünschte Wechselwirkungen mit dem hochfrequenten Feld des Tomographens verhindert. Bei aktiven Implantaten (also solchen mit eigener Energiequelle, wie zum Beispiel Herzschrittmacher), betreffen diese Wechselwirkungen nicht nur das Gerät an sich, sondern insbesondere auch die verbauten Elektroden, da auch diese durch Erwärmung auf das hochfrequente Feld reagieren. Um mögliche Gefahren für Patienten abzuwenden muss dies im Vorfeld genauestens untersucht werden.

Angewandte Forschung in enger Kooperation

Das neue Testverfahren entwickelte die OTH Amberg-Weiden in enger Zusammenarbeit mit der MR:comp GmbH. Das auf Prüf- und Forschungsdienstleistungen spezialisierte Unternehmen wird das Verfahren alsbald auch in der Praxis einsetzen. Auch Kapazitäten des machbar Innovationslabors am Weidener Campus kamen dabei zum Einsatz. „Dieses Projekt ist ein weiteres gelungenes Beispiel von angewandter Forschung und Transfer aus der Hochschule in die Praxis und dies in enger Kooperation mit Unternehmen – dieses Zusammenwirken zeichnet uns als Technische Hochschule mit Fokus auf Praxisbezug aus,“ ergänzt die Präsidentin der OTH Amberg-Weiden, Prof. Dr. Andrea Klug, zum erfolgreichen Projektabschluss.

Externer Link: www.oth-aw.de

Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.08.2020

Neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen – Publikation in Nature Materials

Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen. Die bislang übliche energieaufwendige Destillation könnte somit ersetzt werden. Über die Ergebnisse berichtet das Team in Nature Materials. (DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y).

Propen, auch Propylen genannt, ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie, von dem jährlich weltweit rund 100 Millionen Tonnen verbraucht werden. Der daraus hergestellte „Massenkunststoff“ Polypropylen wird vor allem in Verpackungsmaterialien eingesetzt, aber beispielsweise auch in der Bau- oder Automobilbranche. Gewonnen wird Propen vor allem bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird. „In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mit Hilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird. Das bedeutet angesichts des hohen Propen-Bedarfs eine Einsparung riesiger Mengen des Treibhausgases CO2“, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, der bis 2019 an der Leibniz Universität Hannover und in Saudi-Arabien forschte.

So könnte es für die petrochemische Industrie erstmals wirtschaftlich interessant werden, für die Abtrennung von Propen auf Membranen zu setzen. In diesem Projekt arbeitete Knebel mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, der King Abdullah University of Science and Technology und des Deutschen Instituts für Kautschuktechnologie zusammen.

Erstmals Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten

Die Forschenden starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 Nanometer breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit.

Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als beispielsweise Methan. Denn Propen wird in den Poren der Nanopartikel gleichsam festgehalten, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. „Diese Eigenschaft der Dispersion wollen wir künftig ausnutzen, um flüssige Trennmembranen zu erzeugen“, sagt Knebel.

Doch mit den porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 Prozent erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Leiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Gasmischung aus gleichen Teilen Propen und Propan über zwei hintereinandergeschaltete Membranen, so erhielten sie Propen mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 Prozent, obwohl sich die beiden Gasmoleküle nur um 0,2 Nanometer in ihrer Größe unterscheiden.

Für den praktischen Einsatz einer solchen Membran ist neben dem Trennvermögen entscheidend, wie hoch die Menge eines Gasgemisches ist, die in einer bestimmten Zeit hindurchgeleitet werden kann. Diese Durchflussrate war bei den neuen Membranen mindestens dreimal so hoch wie bei bisherigen Materialien. Knebel ist aufgrund der erzielten Trennwerte davon überzeugt, dass es sich für die petrochemische Industrie erstmals auszahlen würde, zur Gastrennung Membranen statt herkömmlicher Destillationsverfahren einzusetzen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Membranen ist, dass möglichst viele Metall-Organische Partikel einheitlich im Kunststoff verteilt werden können und dass die Poren in den Nanopartikeln bei der Membranherstellung nicht durch Lösemittel verstopft sind, also gleichsam leer bleiben. „Beides konnten wir erreichen, weil wir nicht direkt feste Partikel in die Membran eingearbeitet haben, sondern den scheinbaren Umweg über die porösen Flüssigkeiten gegangen sind“, erläutert Knebel. (ffr)

Originalpublikation:
Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S., Sundermann, L., Garzon-Tovar, L., Lebedev, Y., Durini, S., Ahmad, R., Kozlov, S. M., Shterk, G., Karunakaran, M., Carja, I. D., Simic, D., Weilert, I., Klüppel, M., Giese, U., Cavallo, L., Rueping, M., Eddaoudi, M., Caro, J., Gascon, J.: Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials, 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y

Externer Link: www.kit.edu

eternio: Start-up der Universität des Saarlandes ermöglicht die digitale Trauer

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 18.08.2020

Die Folgen von Covid-19 betreffen auch Trauerfälle, denn sie erschweren eine aktive Trauerarbeit und das persönliche Abschiednehmen auf der Trauerfeier. Wie wichtig dies für die Hinterbliebenen ist, hat das Saarbrücker Start-up „eternio“ bereits vor der Pandemie erkannt. Die drei Gründer haben eine gleichnamige Online-Plattform geschaffen, die über die herkömmlichen Trauerkarten und Traueranzeigen hinausgeht.

In Zukunft soll dort sogar künstliche Intelligenz die Erinnerung an Verstorbene schützen. Das Start-up wird dabei unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der Kontaktstelle für Wissenschaft und Technologietransfer an der Universität des Saarlandes.

„Für das Erstellen einer Gedenkseite fragen wir online nur den Namen der verstorbenen Person ab, den letzten Wohnort und das Sterbedatum“, berichtet Philip Pelgen. Zusammen mit den Informatikern Henrik Bergmann und Max Jakob hat er im Mai 2020 das Start-up „eternio – Gesellschaft für Erinnerungskultur“ gegründet. Nach erfolgreicher Prüfung der Daten erhält die trauernde Person dann den Zugang und kann kostenlos eine multimediale Gedenkseite erstellen, die unbegrenzte Zeit online ist. Darin enthalten sind beispielsweise die Möglichkeit zum Eintragen der Trauertermine oder das Einsammeln von Kondolenzspenden. Für die Nutzung der kompletten Erinnerungsvielfalt verlangen die Gründer einen Mitgliedsbeitrag.

„Berühmte Personen haben einen Eintrag in der Online-Enzyklopädie Wikipedia, doch privaten Personen bleibt diese Möglichkeit zum digitalen Gedenken versperrt“, erklärt Philip Pelgen die Motivation für das Start-up und die gleichnamige Plattform. „Auf eternio soll man jedoch nicht nur nachschauen, wer verstorben ist, sondern sich auch darüber informieren können, wie man die Zeit der Trauer am besten gestaltet.“ Pelgen hat an der Universität des Saarlandes Betriebswirtschaftslehre mit Schwerpunkt Marketing studiert. Seine erste Anstellung führte ihn in ein saarländisches Krematorium. Sein Chef dort erzählte ihm, wie traurig es gewesen sei, keine Details zu der russischen Kriegsgefangenschaft des Vaters gekannt zu haben. Kurz bevor er seinen Vater darauf ansprechen wollte, verstarb er unerwartet. Diese Geschichte brachte Philip Pelgen auf die Idee, eine Online-Plattform für die Trauerarbeit zu entwickeln, die Hinterbliebene auch vernetzen kann und eine Möglichkeit liefert, Erinnerungen festzuhalten. Die Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer an der Universität des Saarlandes (KWT) unterstützte die Idee von Anfang an und half sowohl bei der Bewerbung für das Intensiv-Gründungsprogramm „Saarland Accelerator“ als auch für das Exist-Gründerstipendium des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. „Ohne die KWT hätten wir diese Gründerförderung nicht bekommen“, ist sich Pelgen sicher.

„Das Team ist interdisziplinär aufgestellt und hoch motiviert. Die Gründer betreten einen Markt, der noch nicht im Zeitalter der Digitalisierung angekommen ist. Das Potenzial ist klar erkennbar“, erklärt Christine Görgen, Gründungsberaterin an der KWT.  Die Veröffentlichung der Plattform sei nun ein erster wichtiger Meilenstein. Künftig soll Künstliche Intelligenz auf der Plattform nicht nur Trauernden passende Trauersprüche und Bildmotive vorschlagen, sondern auch negative Kommentare erkennen. „Es gibt nichts Schlimmeres als eine verstorbene Person öffentlich zu beleidigen“, begründet dies Pelgen. Ein Trauerchat sei ebenfalls geplant. Zusätzlich etablieren die Gründer gerade eine Kooperation mit Bestattern und den Betreibern von Krematorien. Diese sollen künftig ihre Kundinnen und Kunden beim Beratungsgespräch auf das Angebot von eternio hinweisen. Gleichzeitig suchen die Gründer nach weiteren Finanzierungsquellen, Philip Pelgen ist dabei zuversichtlich. Im vergangenen Sommer hat er 145 Menschen systematisch interviewt und mit über 50 weiteren Personen Prototyp-Tests durchgeführt. „61,5 Prozent der über 40-Jährigen können es sich sehr gut beziehungsweise gut vorstellen, unser Angebot zu nutzen. Unsere Zielgruppe ist also schon bereit, auf digitale Medien in diesem Kontext zurückzugreifen“, so der Gründer.

Auf die Corona-Pandemie und ihre Auswirkungen auf Bestattungen angesprochen, entgegnet Pelgen: „Das war grausam. Wenn man sich mit Trauer beschäftigt, weiß man, wie sehr das erschwerte Abschiednehmen Angehörige und Verwandte getroffen haben muss.“ Daher wird er gemeinsam mit seinen Mitgründern auf der Plattform auch eine Vielzahl von Informationsartikeln über Tod, Gedenken und Trauer anbieten.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Stark lichtabsorbierendes und regelbares Material entwickelt

Medienmitteilung der Universität Basel vom 10.08.2020

Physiker der Universität Basel haben durch die Schichtung verschiedener zweidimensionaler Materialien eine neue Struktur geschaffen, die Licht einer wählbaren Wellenlänge fast vollständig absorbiert. Sie erreichen dies mithilfe von zweilagigem Molybdändisulfid. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften der neuen Struktur ist eine Anwendung als optisches Bauteil oder als Quelle für einzelne Photonen denkbar, die in den Quantenwissenschaften eine wichtige Rolle spielen. Das Fachjournal «Nature Nanotechnology» hat diese Ergebnisse veröffentlicht.

Neue zweidimensionale Materialien sind zurzeit ein wichtiges Forschungsthema weltweit. Dabei sind van-der-Waals-Heterostrukturen, die sich aus einzelnen Lagen unterschiedlicher Materialien zusammensetzen und durch van-der-Waals-Kräfte aneinander haften, von besonderem Interesse. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Schichten können zu ganz neuen Eigenschaften des Materials führen.

Zweilagig mit gewünschten Eigenschaften

Es gibt bereits van-der-Waals-Strukturen, die bis zu 100 Prozent des Lichts absorbieren. Einlagige Schichten aus Molybdändisulfid weisen ein solch hohes Absorptionsvermögen auf. Wenn das Licht absorbiert wird, verlässt ein Elektron seinen angestammten Platz im sogenannten Valenzband und hinterlässt dort ein positiv geladenes Loch. Das Elektron gelangt auf ein höheres Energieniveau, in das sogenannte Leitungsband, in dem es sich frei bewegen kann.

Das entstandene Loch und das Elektron ziehen sich durch die Coulombkraft gegenseitig an und es entstehen gebundene Elektronen-Loch-Paare, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. Es ist jedoch nicht möglich, in dieser einlagigen Molybdändisulfidschicht zusätzlich einzustellen, welche Wellenlängen an Licht absorbiert werden. «Erst wenn zwei Lagen Molybdändisulfid verwendet werden, kommt die für Anwendungen wichtige Eigenschaft der Regulierbarkeit hinzu», erklärt Prof. Dr. Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel.

Absorption und Regulierbarkeit

Warburton und seinem Team ist es in enger Zusammenarbeit mit Forschenden aus Frankreich gelungen, eine solche Struktur herzustellen. Die Physikerinnen und Physiker verwendeten eine zweilagige Schicht von Molybdändisulfid, die wie bei einem Sandwich unten und oben von einem Isolator und dem elektrischen Leiter Graphen umgeben ist.

«Wenn wir an die äusseren Graphenschichten dann eine Spannung anlegen, erzeugen wir ein elektrisches Feld, das die Absorptionseigenschaften der beiden Molybdändisulfidschichten beeinflusst», erklärt Nadine Leisgang, Doktorandin im Warburton-Team und Erstautorin der Studie. «Durch die Einstellung dieser angelegten Spannung können wir bestimmen, bei welchen Wellenlängen Elektronen-Loch-Paare in diesen Schichten gebildet werden.»

«Diese Arbeiten können einen neuen Ansatz zur Entwicklung optoelektronischer Geräte wie Modulatoren liefern», erläutert Richard Warburton. Modulatoren dienen dazu, die Amplitude eines Signals gezielt zu verändern. Möglich erscheint auch die Nutzung als Quelle für einzelne Photonen, die in den Quantentechnologien eine wichtige Rolle spielen könnte.

Originalbeitrag:
Nadine Leisgang, Shivangi Shree, Ioannis Paradisanos, Lukas Sponfeldner, Cedric Robert, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xavier Marie, Richard J. Warburton, Iann C. Gerber and Bernhard Urbaszek:
Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2
Nature Nanotechnology (2020), doi: 10.1038/s41565-020-0750-1

Externer Link: www.unibas.ch