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Quantenkryptographie: Neue Methode für abhörsichere Kommunikation

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Pressemeldung der JKU Linz vom 15.04.2021

Die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Bankgeschäfte, E-Mails, Handel – die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Genau das macht sie angreifbar und Cyber-Security zu einem wesentlichen Faktor. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz ist es gemeinsam mit der Uni Wien gelungen, erstmalig eine neuartige Quantenlichtquelle für die Erzeugung von verschränkten Lichtteilchen aus Halbleiternanostrukturen für eine sichere Quantenkommunikation zu demonstrieren. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lichtquellen ist die Rauscharmut und im Prinzip hörer Datenrate gegenüber bisher genutzen Lichtquellen.

Mit 85 Bit pro Sekunde ist die Übertragung zwar noch nicht praxistauglich, aber: „Die Quantenübertragung war nicht nur fehlerfrei – sie kann auch nicht mehr unbemerkt abgehört werden“, erklären die JKU Physiker DI Christian Schimpf und Prof. Armando Rastelli (Abteilung für Halbleiterphysik). Jeder Versuch würde die Verschränkung zwischen den Photonen stören – und somit auffallen, noch ehe die Übertragung stattfindet.

Gelungene Übertragung zwischen Gebäuden

Tatsächlich gelungen ist die Informationsübertragung zwischen dem Physikgebäude der JKU und dem Open Innovation Center des Linz Institute of Technology. „Damit ist die technische Machbarkeit nachgewiesen“.

Anders als bei vorherigen Demonstrationen stammen die Photonen erstmalig aus Halbleiternanostrukturen, sogenannten Quantenpunkten, die aus Materialien ähnlich wie herkömmliche Lichtquellen für die faserbasierte Kommunikation aufgebaut sind. Der Vorteil dieser Methode: „Zwar ist noch weitere Forschung notwendig, aber mit unserer Methode sind Übertragungsraten im Bereich von hunderten Megabit pro Sekunde durchaus möglich“, ist Rastelli sicher.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Qualität der erzeugten Photonen. „Quantenpunkte erzeugen wirklich Photonen in einer Qualität, die bisher genutze Photonenquellen nicht erreichen“, so Philip Walther. Daher sind diese Art von Quellen nicht nur für die Quantenkommunikation von Interesse, sondern auch für optische Quantencomputer und Quantensimulatoren. Das Paper wurde gestern im renommierten Journal „Science Advances“ unter dem Titel „Quantum Cryptography with highly entangled photons from semiconductor quantum dots“ publiziert.

EU-Interesse an Forschung

Die Teams aus Linz und Wien sind durch die Partnerschaft in der Lage, ihr Wissen und ihre Erfahrung synergetisch zu kombinieren, um die Quanten-Verschlüsselung weiterzuentwickeln und an weiteren Anwendungen für die Quantenpunkte in den Bereichen Kommunikation, Sicherheit und Informationsverarbeitung zu forschen. Forschung in diesen Bereich wird vom Linz Institute of Technology (LIT) im Rahmen des Projektes „EQKD-QD – Entanglement-Based Quantum Key Distribution with On-Demand Photons Generated by Semiconductor Quantum Dots“, dem LIT Secure and Correct Systems Lab, die FWF Forschungsgruppe FG5 „Multiphoton Experiments with Semiconductor Quantum Dots“ (geleitet von der JKU und mit Partner*innen an der Universität Wien und der Universität Innsbruck) sowie der EU unterstützt. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Elektronenstrahlschmelzen bringt sprödes Metall in Form

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.04.2021

Forschenden des KIT ist es erstmals gelungen, Bauteile aus Wolfram für den Einsatz im Hochtemperaturbereich im 3D-Druck-Verfahren Elektronenstrahlschmelzen herzustellen.

Wolfram hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Ideal für den Einsatz dort, wo es richtig heiß wird, etwa für Weltraumraketendüsen, Heizelemente von Hochtemperaturöfen oder im Fusionsreaktor. Das Metall ist aber zugleich sehr spröde und daher schwer zu verarbeiten. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) fanden nun einen innovativen Ansatz, wie sie „den Spröden geschmeidig machen“: Sie entwickelten für das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens neue Prozessparameter, um damit auch Wolfram verarbeiten zu können.

Das Metall Wolfram verfügt über Eigenschaften, die es als Werkstoff sehr attraktiv machen: Es ist sehr korrosionsbeständig, schwer wie Gold, als Wolframcarbid hart wie Diamant, und es hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Allerdings ist dieses Metall bei Raumtemperatur sehr spröde. Aufgrund seiner Eigenschaften lässt sich Wolfram mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer bearbeiten. Die Verarbeitung ist sehr kostspielig und zeitintensiv im Herstellungsprozess. Eine Alternative bietet der 3D-Druck, mit dem Bauteile so hergestellt werden können, dass sie kaum noch nachbearbeitet werden müssen. „Aktuell arbeiten wir an der additiven Fertigung von Bauteilen aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram mit dem Verfahren Electron Beam Melting, kurz EBM, auch Elektronenstrahlschmelzen genannt“, erklärt Dr. Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Das Forschungsteam konnte den EBM-Prozess erfolgreich für Wolfram anpassen. Die eigens entwickelten Prozessparameter erlauben nun den 3D-Druck von Bauteilen aus Wolfram. „Die Einsatzgebiete dieses Metalls sind beindruckend vielseitig. Durch seine speziellen Eigenschaften ist es für Hochtemperaturanwendungen in Energie- und Lichttechnik sowie für die Raumfahrt und die Medizintechnik ideal geeignet und damit für die moderne Hightech-Industrie unverzichtbar“, so Alexander Klein vom IAM-WK.

Vorwärmen erlaubt Verarbeiten von spröden Werkstoffen

EBM ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die unter Vakuum beschleunigten Elektronen Metallpulver selektiv schmelzen und so Schicht für Schicht, also additiv, ein 3D-Bauteil erzeugen. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht in der verwendeten Energiequelle, dem Elektronenstrahl. Dieser ermöglicht das Vorwärmen des Metallpulvers sowie der Trägerplatte vor dem Schmelzen und reduziert damit Verformungen und Eigenspannungen. Dies erlaubt die Verarbeitung von Werkstoffen, die bei Raumtemperatur leicht brechen und bei hohen Temperaturen verformbar sind. Allerdings müssen die verwendeten Materialien elektrisch leitfähig sein. Für keramische Werkstoffe kommt das Verfahren daher nicht in Frage, da der EBM-Prozess auf dem Prinzip der elektrischen Ladung basiert. Das Vorwärmen des Metallpulvers vor dem Schmelzen reduziert Verformungen.

Leichtbauteile aus Titan für KA-RaceIng

Der EBM-Prozess wurde ursprünglich entwickelt, um Titanlegierungen sowie Materialien, die erhöhte Prozesstemperaturen erfordern, zu verarbeiten. Bisher wurden im Technik-Haus des KIT damit Leichtbauteile aus Titan, zum Beispiel für das Formula-Student-Projekt KA-RaceIng des KIT hergestellt.

Das IAM-WK forscht in den Forschungsprogrammen der Helmholtz-Gemeinschaft und des europäischen Fusionsprogrammes EUROfusion an Materialien und Prozessen, um Hochtemperaturwerkstoffe für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Fusionsenergie oder auch in der Medizintechnik herstellen zu können. (rli)

Externer Link: www.kit.edu

2D-Nanomaterial MXene: Der perfekte Schmierstoff

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Presseaussendung der TU Wien vom 20.04.2021

Bei extremer Hitze oder im Vakuum des Weltraums – ein neuartiges Nanomaterial bringt in Extremsituationen Höchstleistungen, das zeigte die TU Wien mit internationalen Partnern.

Die Fahrradkette kann man mit Öl schmieren, aber was macht man bei einem Marsrover oder bei einem glühend heißen Transportband in der Stahlindustrie? Ganz spezielle Nanomaterialien wurden nun von der TU Wien gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Saarbrücken (Deutschland), der Purdue University in den USA und der Universidad de Chile (Santiago, Chile) untersucht.

Die Materialklasse der MXene (sprich: Maxene) sorgte in den letzten Jahren eigentlich im Zusammenhang mit neuartigen Batterie-Technologien für großes Aufsehen. Doch wie sich nun zeigt, sind sie auch ein hervorragender Festschmierstoff, der extrem haltbar ist und auch unter schwierigsten Bedingungen seine Aufgabe dauerhaft erfüllt. Diese bemerkenswerten Eigenschaften der MXene wurden nun im renommierten Fachjournal ACS Nano publiziert.

Wie ein Stapel Papierblätter

Wie das Kohlenstoff-Material Graphen zählen auch die MXene zu den sogenannten 2D-Materialien: Ihre Eigenschaften werden wesentlich dadurch bestimmt, dass es sich um ultradünne Schichten handelt, um einzelne Atomlagen, ohne starke Bindungen nach oben oder unten.

„Man beginnt zunächst mit sogenannten MAX-Phasen, das sind spezielle Schichtsysteme, die etwa aus Titan, Aluminium und Kohlenstoff bestehen“, sagt Prof. Carsten Gachot, Leiter der Tribologie-Gruppe am Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Der entscheidende Trick ist, das Aluminium mit Flusssäure heraus zu ätzen.“

Übrig bleibt dann ein Stapel von atomar dünnen Schichten aus Titan und Kohlenstoff, die ähnlich wie Papierblätter lose aufeinanderliegen. Jede Schicht für sich ist relativ stabil, die Schichten können sich aber gegeneinander problemlos verschieben.

Diese Verschiebbarkeit der atomaren Schichten untereinander macht das Material zu einem hervorragenden Trockenschmiermittel: Ohne Abrieb zu erzeugen wird ein extrem widerstandsarmes Gleiten ermöglicht. Die Reibung zwischen Stahloberflächen konnte damit auf ein Sechstel reduziert werden – und das mit außergewöhnlich hoher Verschleißbeständigkeit: Auch nach 100.000 Bewegungszyklen funktionierte die MXene-Schmierschicht noch problemlos.

Das ist perfekt für den Einsatz unter erschwerten Bedingungen: Während Schmieröl etwa im Vakuum bei Weltraummissionen sofort verdampfen würde, lassen sich MXene in Form von feinem Pulver auch dort einsetzen.

Unabhängig von Atmosphäre und Temperatur

„Man hat Ähnliches auch schon mit anderen Dünnschicht-Materialien versucht, etwa mit Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Carsten Gachot. „Aber sie reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Wassermoleküle können die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Schichten verändern. Bei MXenen spielt das hingegen eine geringere Rolle.“

Ein weiterer, entscheidender Vorteil ist die Hitzebeständigkeit von MXenen: „Viele Schmiermittel oxidieren bei großer Hitze und verlieren dabei ihre Schmierfähigkeit. MXene hingegen sind viel stabiler, man kann sie sogar in der Stahlindustrie einsetzen, wo mechanisch bewegte Teile schon mal eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erreichen können“, erklärt Gachot.

Untersucht wurde das pulverförmige Schmiermittel in mehreren Experimenten an der TU Wien von Dr. Philipp Grützmacher aus Prof. Gachots Arbeitsgruppe sowie der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und der Purdue Universität in den USA. Wesentlichen Anteil an der Initiierung und Konzeption der Arbeit hatte dabei am anderen Ende der Welt Prof. Andreas Rosenkranz in Chile.

„Auch von Seiten der Industrie gibt es bereits großes Interesse an diesen Materialien. Wir gehen davon aus, dass solche MXene schon bald in größerem Maßstab hergestellt werden können“, ist Carsten Gachot zuversichtlich. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
P. Grützmacher et al., Superior Wear-Resistance of Ti3C2Tx Multilayer Coatings, ACS Nano, 2021.

Externer Link: www.tuwien.at

Neues Antibiotikum: Täuschungsmanöver im Kleinstformat

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 15.04.2021

Antibiotika entfalten ihre Wirkung üblicherweise, indem sie in Bakterien eindringen. Das neu entdeckte Darobactin ist dafür jedoch viel zu gross. Trotzdem tötet es viele antibiotikaresistente Keime ab. Forschende am Biozentrum der Universität Basel haben nun den erstaunlichen Mechanismus dahinter enträtselt und so den Weg für die Entwicklung gänzlich neuartiger Medikamente geebnet.

Immer mehr bakterielle Krankheitserreger sind gegen Antibiotika resistent. Dabei haben die gefährlichsten Keime eines gemeinsam: Sie verfügen über eine doppelte Membran, die schwer zu durchdringen ist. Und selbst wenn antibiotische Wirkstoffe diese Hülle knacken, werden sie von den Bakterien meist gleich wieder hinausgepumpt. Doch dem kürzlich entdeckten Darobactin gelingt es, diese Schutzvorkehrungen zu umgehen und fast alle Problemkeime zu töten. Den Wirkmechanismus dahinter konnten Forschende nun in einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanzierten Projekt des Nationalen Forschungsprogramms «Antimikrobielle Resistenz» (NFP 72) aufklären.

Wie ein abgebrochener Schlüssel

In einer jetzt in «Nature» veröffentlichten Studie beschreiben sie, wie ein Täuschungsmanöver den Erfolg von Darobactin ermöglicht: Es imitiert mit seiner Form eine besondere dreidimensionale Struktur, die sonst nur diejenigen Proteine besitzen, welche von Bakterien als Bausteine für ihre äussere Membran selbst produziert werden. Die besagte Struktur ist der Schlüssel, um die Proteine an bestimmten Orten von innen her in die äussere Hülle einzupassen. Darobactin ist eine Kopie dieses Schlüssels. Doch es nutzt dies nicht, um in die Bakterien einzudringen, sondern blockiert lediglich das Schlüsselloch von aussen. So, als würde man eine Tür abschliessen und dann den Schlüssel abbrechen. Die Folge: Den Bakterien ist der Transportweg für ihre Hüllenbausteine versperrt und sie sterben.

Mit üblichen Methoden kaum erkennbar

Verwandte Mechanismen sind in der Mikrobiologie bereits bekannt und werden durch andere Medikamente verwendet. Die dabei anvisierten Bindestrukturen, oder eben Schlüssellöcher, sind in der Regel recht gross – zumindest für mikrobiologische Verhältnisse. Im Gegensatz dazu ist das von Darobactin genutzte Ziel sehr klein und mit üblichen Methoden gar nicht erkennbar. Dies, obwohl Darobactin grösser ist als die meisten Wirkstoffe und nicht einmal durch die Eintrittspforten der Bakterien passen würde.

«Das hat uns am Anfang vor Rätsel gestellt», sagen Sebastian Hiller und Timm Maier vom Biozentrum der Universität Basel, die zwei Hauptautoren der nun vorgelegten Studie. Zwar hätten sie und ihre Teams sofort erkannt, dass Darobactin nicht im Inneren der Erreger wirkt, sondern auf deren Oberfläche. Dort nämlich stört es die Funktion des Proteins BamA, das beim Aufbau der doppelten Schutzmembran eine zentrale Rolle einnimmt. «Doch wie genau Darobactin mit BamA interagiert, war völlig unklar», so Hiller. Erst durch die Kombination von mehreren Methoden kamen die Forschenden dem Vorgang schliesslich auf die Spur.

Perfekte Schwachstelle erwischt

Dabei erkannten sie, dass Darobactin eine wahre Achillesferse der Erreger angreift: Es bindet direkt an die wichtigsten, sogenannten «Rückgrat»-Atome von BamA. Weil diese Atome das Protein zusammenhalten und seine Form vorgeben, können sie kaum verändert werden – doch genau dies wäre für Bakterien der einfachste Weg, um auch Darobactin in absehbarer Zeit abzuwehren. Tatsächlich behielt Darobactin jedoch seine Wirksamkeit gegen alle Erreger, für die Hiller und sein Team Labortests durchführten, mit denen man Resistenzen künstlich erzeugen kann. Wiederum im übertragenen Sinn gesagt: Es gelang den Erregern nicht, das «geknackte» Schloss auszuwechseln.

Gezielte Entwicklung von Medikamenten

Für eine mögliche Anwendung in der Medizin seien diese Erkenntnisse ein entscheidender Schritt, sagt Infektionsbiologe Dirk Bumann, der ebenfalls an der Universität Basel forscht. Als Co-Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts AntiResist verfolgt er das aktuelle Geschehen in der Antibiotikaforschung eng. «Die Aufschlüsselung des Wirkmechanismus von Darobactin ist ein grosser Erfolg», sagt er, «denn das ermöglicht es, Darobactin gezielt zu verbessern und zu einem wirksamen Medikament zu entwickeln». Die langehegte Hoffnung auf eine neue Generation Antibiotika, die gegen viele der heutigen Problemkeime eingesetzt werden kann, erhält damit starken Auftrieb.

Originalpublikation:
Hundeep Kaur et al.
The antibiotic darobactin mimics a β-strand to inhibit outer membrane insertase
Nature (2021)

Externer Link: www.unibas.ch

Gemälde aus dem Drucker: Informatik-Masterstudent verbessert Verfahren zum Drucken von Kunstwerken

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 06.04.2021

Kann man qualitativ hochwertige Kunstdrucke mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern herstellen? Ein Informatik-Masterstudent der Universität des Saarlandes zeigt in seiner Abschlussarbeit, dass dies geht. Dazu hat er einen Algorithmus entwickelt, der den optischen Fingerabdruck eines Gemäldes analysieren und genau reproduzieren kann.

Der Informatik-Student Navid Ansari hat sich in seiner Masterarbeit mit ‚Spektraler Reproduktion‘ beschäftigt. „Spektrale Reproduktion ist ein Verfahren, das eine exakte spektrale Kopie einer Vorlage erzeugen kann, die genau dieselben optischen Eigenschaften wie das Original aufweist“, sagt Navid Ansari. In seinem Forschungsprojekt nutzt er das Verfahren, um Aquarellgemälde zu reproduzieren. „Im Gegensatz zu einer reinen Farbkopie sieht die spektrale Reproduktion eines Gemäldes auch bei unterschiedlicher Beleuchtung genauso aus wie das Original“, ergänzt der Student. Das macht das Verfahren vor allem für Kunstdrucke in Museen oder von Künstlern interessant.

In dem neuartigen Druckverfahren werden zunächst repräsentative Punkte einer Vorlage ermittelt. Diese sogenannten „Core-Sets“ bilden das gesamte Farbspektrum des zu druckenden Bildes ab. Basierend auf diesen „Core-Sets“ berechnet ein Optimierungsalgorithmus, welche Tinten das beste Druckergebnis erzielen werden. Anders als bei bisherigen Verfahren bezieht sich der neuartige Algorithmus nicht auf die Reflexionswerte der Farben, sondern auf deren Absorptionswerte – also darauf, wie viel Licht eine mit der Farbe bedeckte Oberfläche absorbiert. „Diese Umkehrung löst eines der größten Probleme der spektralen Reproduktion, da die Komplexität der Berechnungen drastisch reduziert wird. Damit ist unser Ansatz der erste, der das Problem mit vertretbarem Rechenaufwand lösen kann, auch für größere Farb-Bibliotheken“, sagt Navid Ansari.

Die Forscher mussten dazu ihre Ausgangsmaterialien optimieren: „Herkömmliche Tintenstrahldrucker verwenden vorgefertigte Tintenpatronen, die feste optische Eigenschaften haben. Mit einer derart begrenzten Materialauswahl ist eine optimale spektrale Reproduktion nicht möglich. Deshalb mussten wir die Tintenauswahl erweitern“, sagt Navid Ansari. Dazu haben die Wissenschaftler eine Auswahl von 43 geeigneten Tinten erstellt. Der Druckvorgang wurde dann auf einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker mit der erweiterten Tinten-Auswahl durchgeführt. Die Bilder für ihre Forschung haben die Wissenschaftler von der Künstlerin Azadeh Asadi erhalten.

Seine Masterarbeit hat Navid Ansari in der Forschungsgruppe „Computation, Appearance and Manufacturing“ am Saarbrücker Max-Planck-Institut für Informatik am Saarland Informatics Campus verfasst. Die Gruppe unter Leitung des promovierten Informatikers Vahid Babaei untersucht, wie das volle Potenzial moderner Fertigungsmethoden wie zum Beispiel 3D-Druck oder Lasermarkierung ausgeschöpft werden kann. „Wir erforschen, welche Möglichkeiten in neuen Geräten stecken und entwickeln die Algorithmen, um sie optimal zu nutzen“, sagt Vahid Babaei. Aufbauend auf Navid Ansaris Ergebnissen werden die Informatiker künftig unter anderem erforschen, wie die Konzepte hinter dem neuartigen Optimierungsalgorithmus in anderen Kontexten wie beispielsweise dem 3D-Druck die Materialauswahl verbessern können.

Externer Link: www.uni-saarland.de