Presseinformation der LMU München vom 24.08.2011

Sichere Übertragung in der Quantenkryptographie

Die Quantenkryptographie ermöglicht das abhörsichere Übertragen von Nachrichten. Dabei werden kleinste Lichtquanten, die Photonen, versendet. Obwohl die Quantenkryptographie – genauer: die Quantenschlüsselverteilung oder auch QKD – in der Theorie beweisbar sicher ist, werden immer wieder Schwachstellen aufgedeckt und erfolgreiche Abhörversuche gemeldet. So hat ein Forscherteam um den LMU-Physiker Professor Harald Weinfurter in Zusammenarbeit mit der Firma qutools GmbH nun selbst einen erfolgreichen und dabei unübertroffen einfachen Angriff auf ein QKD-System durchgeführt – und gleich eine Gegenmaßnahme vorgestellt. Beim „Lauschangriff“ schleusten die Wissenschaftler lediglich zusätzliche schwache Lichtpulse in die Verbindung zwischen Sender und Empfänger ein. Erstmals mussten damit die ausgetauschten Photonen nicht mehr gemessen werden, weil die Einzelphotondetektoren des Empfängers für kurze Zeit selektiv geblendet wurden. Unbemerkt konnten die Forscher über 98 Prozent des ausgetauschten Schlüssels bestimmen – und die anschließend übertragene verschlüsselte Nachricht erfolgreich abhören. „Dies zeigt einmal mehr, wie wichtig die konsequente Aufdeckung und Beseitigung von technischen Sicherheitslücken ist“, betont Weinfurter. „Das ist bei der QKD nicht anders als bei klassischen Verschlüsselungsverfahren. In diesem Fall gibt es aber eine erfreulich einfache Gegenmaßnahme.“ Denn durch verbesserte Elektronik kann stets kontrolliert werden, ob alle Detektoren auch bereit sind zum Nachweis von Photonen – als Voraussetzung für einen sicheren Schlüssel. Nicht nur diese Art von Angriff, sondern alle bisher berichteten Attacken mit hellen Lichtpulsen können so abgewehrt werden. „Eine sorgfältige Konstruktion und Steuerung vorausgesetzt, bietet die Quantenkryptographie auch weiterhin die perfekte Sicherheit, wie sie eben nur mit Naturgesetzen gewährleistet werden kann“, sagt Weinfurter. Nach erfolgreichen Demonstrationen in Netzwerken (SECOQC/TOKIO) werden sich nun auch kommerziell erhältliche Systeme in naher Zukunft weiter verbreiten. (suwe)

Publikation:
„Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of singlephoton detectors“;
Henning Weier, Harald Krauss, Markus Rau, Martin Fürst, Sebastian Nauerth and Harald Weinfurter;
New Journal of Physics online, Juli 2011

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseaussendung der TU Wien vom 10.08.2011

Zwei völlig verschiedene Quanten-Systeme wurden an der Technischen Universität (TU) Wien erfolgreich vereint. Das Ergebnis soll den Weg zu praxistauglichen Quanten-Computerchips ebnen.

Quantencomputer gehörten schon seit Jahren zu den großen Zielen der Wissenschaft. Wenn ein gewöhnlicher Computer eine Liste von Aufgaben zu erledigen hat, muss er sie mühsam nacheinander abarbeiten. Ein Quantencomputer könnte verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen – und dadurch verschiedene mögliche Lösungen eines Problems gleichzeitig ausprobieren. Einen wesentlichen Schritt Richtung Quantencomputer könnten nun Diamanten bringen. An der TU Wien gelang es, Mikrowellen an Quanten-Zustände eines Diamanten anzukoppeln. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes wurden nun im angesehenen Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Unterschiedliche Quanten-Technologien in einem Chip

Schon lange sucht man nach passenden physikalischen Bausteinen für einen Quantencomputer – bisher jedoch ohne den gewünschten Erfolg. Zwar gab es schon verschiedene Ideen für Systeme, die auf quantenphysikalische Weise Information speichern, doch meist sind sie sehr fragil und instabil. Wenn etwas als Bauelement für einen Computer dienen soll, dann muss es sich sehr rasch umschalten lassen. Gleichzeitig muss es einen quantenphysikalischen Zustand ausreichend lange zuverlässig konservieren können, sodass genug Zeit besteht um damit Rechnungen durchzuführen. „Es gibt kein Quantensystem, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt“, meint Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien. Mit seinem Forschungsteam koppelte er daher zwei völlig verschiedene Quantensysteme, um die Vorteile beider Seiten nutzen zu können: Mikrowellen und Diamanten.

Lichtteilchen und Diamanten

Auch bei herkömmlichen Computern gibt es einen Prozessor und einen Arbeitsspeicher. Der Prozessor führt schnelle Rechnungen durch, der Speicher soll sich die Ergebnisse möglichst dauerhaft merken. Ähnlich verhalten sich die beiden Quantensysteme zueinander, die auf dem Quanten-Chip an der TU Wien nun vereint wurden: Schnelle Rechenoperationen werden durch einen sogenannten Mikrowellen-Resonator ermöglicht. Sein Quantenzustand wird durch Lichtteilchen im Mikrowellen-Bereich bestimmt. Dieser Mikrowellen-Resonator wird an eine dünne Diamantschicht angekoppelt, in der Quantenzustände gespeichert werden können.

Fehler sind erwünscht

Während man für wertvollen Schmuck möglichst reine, makellose Diamanten sucht, benötigt man für die Quantenexperimente genau das Gegenteil: Hier sind Diamanten mit Fehlern gefragt. Wenn sich im regelmäßigen Kohlenstoff-Gitter des Diamanten nämlich Stichstoff-Atome einschleichen, dann wird der Diamant zwar beinahe schwarz, doch dafür kann er dann Quantenzustände stabil speichern. „Wir konnten zeigen, dass sich in unserem Chip Quanten-Zustände zwischen Mikrowellen und den Stickstoff-Zentren im Diamanten übertragen lassen“, erklärt der TU-Assistent Robert Amsüss. Je mehr Stickstoffatome bei dieser Übertragung beteiligt sind, umso stabiler „merkt“ sich der Diamant den eingespeicherten Quantenzustand. Überraschenderweise konnte bei dem Experiment auch gezeigt werden, dass sich sogar im Drehimpuls der Atomkerne Quantenzustände speichern lassen. „Das könnte der erste Schritt zu einem Atomkern-Speicher sein“, mutmaßt Johannes Majer – doch zunächst soll der Diamant-Quantenchip in seiner jetzigen Form weiterentwickelt werden. Die nötigen Teilelemente sind nun vorhanden – jetzt geht es darum, sie für echte, stabile Rechenoperationen zu nützen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
R. Amsüss et al., Phys. Rev. Lett 107 (2011)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der TU München vom 04.08.2011

Virtueller Assistent unterstützt Autofahrer

Aufblinkende Warnleuchten oder unbekannte Bedienelemente können einen Autofahrer beunruhigen. Mit dem Avatar-based Virtual Co-driver System (AviCoS) werden zukünftig Autofahrer unmittelbar informiert und das umständliche Nachschlagen im Benutzerhandbuch entfällt. Durch die Berührung der Bedienelemente und über eine natürlichsprachliche Schnittstelle reagiert das System: Ein virtueller Assistent, der Avatar, gibt spezifische Informationen rund um das Fahrzeug – unterstützt von Bildern und Videos. Entwickelt wurde das System vom Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik der TU München in Zusammenarbeit mit der Audi AG.

Der Avatar wird in der serienmäßig verfügbaren Bildschirmanzeige des Audi Multimedia Interface dargestellt. Die virtuelle Figur versteht vollständige Sätze. Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz interpretiert AviCoS die Frage des Autoinsassen und kann gleichzeitig mittels gesprochener Sprache antworten. Zusätzlich werden Bilder und Videos eingeblendet und der Avatar deutet während der Erklärung jeweils auf die relevanten Stellen im Bild.

Eine weitere Möglichkeit – neben der Sprache – mit dem AviCoS in Kontakt zu treten, ist der Touch&Tell-Modus: Kennt der Fahrer ein spezielles Bedienelement am Armaturenbrett nicht, berührt er es und der Avatar gibt ihm dazu Hintergrundinformationen. „Dadurch kann spielerisch und schnell das Wissen über Bedienelemente im Fahrzeug vermittelt werden. Das kann gerade in einem unbekannten Fahrzeug sehr hilfreich sein“, sagt Professor Helmut Krcmar, Inhaber des Lehrstuhls für Wirtschaftsinformatik der TU München.

Bei hohem Tempo

AviCoS ist auch während der Fahrt nutzbar. Um den Fahrer nicht vom Verkehr abzulenken, werden mit steigender Geschwindigkeit zunächst die Animationen und dann alle grafischen Ausgaben automatisch abgeschaltet. Die sprachbasierte Kommunikation mit dem Avatar steht dagegen immer zur Verfügung.

Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen belegen die Vorteile von AviCoS: Im Vergleich zum Nachschlagen im Handbuch finden Autofahrer Informationen mit AviCoS schneller und zielsicherer. Zudem macht die Nutzung von AviCoS mehr Spaß. „Insgesamt bietet AviCoS einen bequemen und interaktiven Zugriff auf multimedial aufbereitete Inhalte, die weit über den Informationsgehalt des gedruckten Benutzerhandbuchs hinausgehen. Ohne Lernaufwand kann das System genutzt werden und erlaubt so einen sehr schnellen Einstieg in die Bedienung eines Fahrzeugs“, so Dr. Michael Schermann, Leiter der Forschungsgruppe Automotive Services am Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik.

Sprache als Befindlichkeitsmesser

Die natürlichsprachliche Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug wird in Zukunft ausgebaut. Die Vision: Das System erkennt die Befindlichkeit des Fahrers und passt sich entsprechend an. Bemerkt AviCoS aufgrund des Tonfalls und des Sprechrhythmus, dass der Fahrer in der aktuellen Fahrsituation überfordert und deshalb gestresst ist, reduziert das System schrittweise den Umfang der multimodalen Ausgabe und zeigt beispielsweise im ersten Schritt keine Animationen mehr an. Weitere Systeme im Auto wie das Navigationsgerät könnten ebenfalls einbezogen werden, indem es frühzeitiger und häufiger auf die Fahrtrichtung hinweist.

AViCoS wurde in einem dreijährigen Forschungsprojekt entwickelt. Beteiligt waren die Fachabteilung für Prozess- und Systemintegration Elektrik/Elektronik der Audi AG und der Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik der TU München. Die Forscher arbeiteten an dem regionalen Kompetenzzentrum der Technischen Universität München INI.TUM. Diese Außenstelle der TU München mit Sitz in Ingolstadt steht in enger Kooperation mit der Audi AG, um Wissenschaft und Wirtschaft stärker zu verknüpfen.

Publikation:
Die Ergebnisse wurden in der Audi Dissertationsreihe Band 20 unter dem Titel „Gestaltung avatarbasierter, natürlichsprachlicher Hilfesysteme für den Einsatz in Fahrzeugen“ von Dr. Valentin Nicolescu veröffentlicht.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Pressemitteilung der TU Graz vom 27.07.2011

In einem EU-weiten Projekt erforschen Informatiker der TU Graz die grundlegenden Lernmechanismen von Neuronen (Nervenzellen) im Gehirn. Im Rahmen ihrer Untersuchungen haben sie nun einen neuen Lerneffekt entdeckt: Computersimulationen haben ergeben, dass sich die feinen Äste von sogenannten Dendritenbäumen selbstständig auf wiederkehrende Muster spezialisieren können – somit wird die Lernfähigkeit eines Neurons beträchtlich erhöht. Dieses Forschungsergebnis publizierten die Wissenschaftler am Institut für Grundlagen der Informationsverarbeitung (IGI) der TU Graz in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Journal of Neuroscience“.

Das menschliche Gehirn besteht aus einem Netzwerk von mehreren Milliarden Nervenzellen. Verbunden sind diese durch eigene Kontaktstellen, die Synapsen. TU Graz Informatiker beschäftigen sich schon seit mehreren Jahren mit der Frage, wie Informationen an den Synapsen weitergegeben werden.

Dendritenbaum

„Wie sich der Stamm eines Baumes in Äste aufteilt, besitzen auch Neuronen einen Dendritenbaum, der sich immer feiner verzweigt. Während aber ein Baum mit den Blättern auf seinen Ästen Sonnenlicht sammelt, sammeln diese Nervenzellen Informationen an den Synapsen. Diese treffen dort in Form von elektrischen Impulsen ein“, erklärt Robert Legenstein, der das Projekt gemeinsam mit IGI-Leiter Wolfgang Maass betreibt. Im Zuge des dreijährigen EU-Projektes „Brain-i-Nets“ (Novel Brain Inspired Learning Paradigms for Large-Scale Neuronal Networks) erforschen die TU Graz Informatiker gemeinsam mit Neurowissenschaftlern und Physikern Rechenprinzipien und Lernmechanismen im Gehirn – in Computer Simulationen konnten sie nun dies neue Phänomen beobachten.

Wiederkehrende Muster

„Unsere theoretischen Untersuchungen und Simulationen haben ergeben, dass diese Äste aus der großen Menge an Impulsen nach immer wiederkehrenden Mustern suchen. Genauer gesagt, jeder Ast versucht sich auf solch ein wiederkehrendes Muster zu spezialisieren, und dann jedes Wiederauftreten von diesem Muster dem Zellkörper durch einen Impuls zu melden“, so Maass. Dadurch strukturieren und filtern sie den hereinkommenden Inputstrom auf intelligente Weise – der Effekt: Die Rechenfähigkeit des Neurons wird erhöht. Somit erfüllen diese Äste eine zusätzliche Rolle bei der Informationsweitergabe im Gehirn.

Diese neuesten Ergebnisse publizierten die beiden Wissenschaftler nun in einem Artikel im international renommierten „Journal of Neuroscience“, das eines der führenden Fachzeitschriften auf dem Gebiet der Neurowissenschaften ist.

Originalarbeit:
Branch-Specific Plasticity Enables Self-Organization of Nonlinear Computation in Single Neurons. R. Legenstein, W. Maass. Publiziert in „The Journal of Neuroscience“ am 27. Juli 2011.

Externer Link: www.tugraz.at