Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 19.01.2018

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von Menschen erdacht. Das könnte sich bald ändern. Innsbrucker Quantenphysiker um Hans Briegel beschäftigen sich unter anderem mit der grundsätzlichen Frage, inwieweit Maschinen selbstständig experimentieren können. Dazu nutzen die Physiker ein von der Gruppe entwickeltes Modell für künstliche Intelligenz, das einer Maschine einfache Formen kreativen Verhaltens ermöglichen soll. Das Gedächtnis dieser autonomen Maschine speichert viele einzelne Erfahrungsfragmente, die netzwerkartig miteinander verbunden sind. Ist die Maschine mit einem bestimmten Ereignis konfrontiert, werden in einer Zufallsbewegung damit zusammenhängende Erinnerungen abgerufen. Sowohl aus Erfolg als auch aus Misserfolg lernt die Maschine und passt ihr Netzwerk entsprechend an. Gleichzeitig kann sie selbst neue Szenarien erzeugen und diese ausprobieren.

Nun haben sich die Innsbrucker Physiker mit Wienern Kollegen um Anton Zeilinger zusammengetan. Diese haben zuvor schon die Nützlichkeit von automatisiertem Design von Quantenexperimenten zeigen können mithilfe des Algorithmus Melvin, wobei einige dieser computer-inspirierten Experimente auch schon in den Labors von Zeilinger umgesetzt wurden. Durch die Anwendung des Lernmodells der Projektiven Simulation konnten die Wissenschaftler nun gemeinsam zeigen, dass diese Umgebung ideal dafür geeignet ist, das Potential maschinellen Lernens in Quantenexperimenten zu untersuchen. In einer in den amerikanischen Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Arbeit präsentieren die Forscher erste Ergebnisse.

Computer entwirft optimierte Quantenexperimente

Am Anfang steht ein leerer Labortisch für photonische Quantenexperimente. Der künstliche Agent versucht nun neue Experimente zu entwickeln, indem er Spiegel, Prismen oder Strahlteiler virtuell auf dem Tisch anbringt. Führen seine Aktionen zu einem sinnvollen Ergebnis, merkt der Agent sich das und greift bei späteren Versuchen wieder darauf zurück. „Dieses bestärkende Lernen unterscheidet unser Modell von einer automatischen Suche, die immer durch ein zufälliges Verhalten gesteuert ist“, erklärt Alexey Melnikov vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Der künstliche Agent führt auf dem virtuellen Labortisch Zehntausende von Experimenten durch. Wenn wir im Gedächtnis der Maschine die Ergebnisse analysieren, sehen wir, dass sich bestimmte Strukturen entwickelt haben“, erklärt sein Kollege Hendrik Poulsen Nautrup. Einige dieser Strukturen sind den Physikern bereits als nützliche Werkzeuge aus modernen quantenoptischen Labors bekannt. Andere sind völlig neu und könnten in Zukunft im Labor zum Einsatz kommen. „Während die automatische Suche mit jeder Lösung zufrieden ist, sucht die intelligente Maschine immer den besten Weg, wie etwas umgesetzt werden kann, und generiert so optimierte Experimente“, verdeutlicht Alexey Melnikov. „Und manchmal liefert sie auch Antworten auf Fragen, die wir gar nicht gestellt haben.“

Kreative Unterstützung im Labor

In Zukunft wollen die Wissenschaftler das lernfähige Programm noch weiter ausbauen. Zurzeit ist die Maschine noch darauf getrimmt, einzelne Probleme selbstständig zu lösen. Aber damit ist sie weiterhin nur ein Werkzeug, das von Wissenschaftlern gezielt eingesetzt werden muss. Kann eine Maschine aber auch mehr als nur ein Werkzeug sein? Wird die Maschine der Zukunft eine kreativere Rolle an der Seite des Wissenschaftlers spielen? Dies sind die Fragen, die sich die Wissenschaftler stellen und nur die Zukunft wird zeigen, welche Rolle die künstliche Intelligenz tatsächlich im Labor spielen wird.

Die Arbeit wurde unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Templeton World Charity Foundation finanziell unterstützt.

Publikation:
Active learning machine learns to create new quantum experiments. Alexey A. Melnikov, Hendrik Poulsen Nautrup, Mario Krenn, Vedran Dunjko, Markus Tiersch, Anton Zeilinger, and Hans J. Briegel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018 DOI: 10.1073/pnas.1714936115 (arXiv: 1706.00868)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Warum Teige an Oberflächen kleben

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.12.2017

Struktur der Arbeitsflächen und -materialien sowie Kontaktdauer wirken sich auf Teighaftung aus – Ergebnisse sollen Lebensmittelsicherheit garantieren und Produktivität in Bäckereien steigern

Weihnachtszeit ist Plätzchenzeit. Für viele hat das große Backen bereits begonnen. Wer gern nascht, freut sich über die Teigreste, die an Knethaken oder Schüssel kleben bleiben. Doch auch in Bäckereien oder Industriebetrieben bleiben nicht unerhebliche Mengen des Teiges an Transportbändern und Gärtüchern haften. Das führt im schlimmsten Fall zu Hygieneproblemen und Produktionsausfällen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der TU München haben untersucht, wie sich Kontaktzeit und Oberflächenstrukturen der unterschiedlichen Arbeitsmaterialien auf die Teighaftung auswirken.

Teige haften gerne fest an allen Oberflächen, mit denen sie beim Verarbeiten in Berührung kommen. Die Folge: Es werden zusätzliche Hilfsstoffe wie teure Spezialmehle, die nicht stauben, benötigt, die Reinigung wird aufwendiger, die Maschinen stehen währenddessen still und es kommt zu Produktionsausfällen. Speziell auf Gärtüchern, wie man sie für manche Brotteige oder Hefeteig braucht, schimmeln Teigreste außerdem sehr schnell, da sie im Gärschrank bei Temperaturen um die 30 Grad und hoher Luftfeuchtigkeit liegen. Die Tücher müssen daher immer wieder ersetzt werden.

„Wir haben deshalb untersucht, welchen Einfluss die Kontaktdauer von Teig und Werkstoff hat und wie sich die Oberflächenstruktur der Werkstoffe auf die Teighaftung auswirkt“, sagt Sebastian Moeller vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik des KIT. Mit einem Laser-Raster-Mikroskop nahmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Struktur der Oberflächen von Gärtüchern, Transportbändern und Backblechen aus Edelstahl auf. Die Bilder werteten sie dann nach Oberflächenparametern wie Rauheitswerte, Höhenverteilung des Materials und Aufteilung des Oberflächenprofils in Spitzen-, Kern- und Talbereiche aus.

„Mit Versuchen in einer Zentrifuge haben wir außerdem die Haftkräfte von Teig ermittelt. Dabei haben wir Teigproben von den unterschiedlichen Arbeitsmaterialien geschleudert. Wir fanden heraus, dass auch die Dauer des Kontakts zwischen Teig und Oberfläche dafür entscheidend ist, wie stark er klebt“, so Moeller. Nach kurzer Kontaktzeit blieb am Edelstahl und an Transportbändern deutlich mehr Teig kleben als an Gärtüchern. Bei den Transportbändern beeinflussten Waffel- oder Rippenstruktur die Klebrigkeit des Teiges. Sie verringerten die Kontaktfläche zum Teig, sodass sich geringere Adhäsionskräfte entwickelten. Bei den Gärtüchern konnte man erst nach längerer Kontaktdauer einen Unterschied zwischen den Materialien beobachten. „Vor allem an Tüchern aus Polyester blieb deutlich mehr Teig kleben als an Baumwollgärtüchern. Eine Zunahme der Teighaftung war mit längerer Kontaktdauer aber bei allen Materialien zu erkennen“, sagt Sebastian Moeller. Zu gleichen Ergebnissen kamen die Partner von der TU München mit einer Kippapparatur im Labormaßstab.

Im nächsten Schritt wurden Gärtücher über zwölf Wochen in einer Bäckerei getestet. „Nach sechs Wochen bildeten sich auf allen Gärtüchern Mehl- und Teigrückstände. Da diese dann sehr schnell verderben können, sollte man die Tücher wechseln“, empfiehlt Moeller. Durch Reinigungsvorgänge wie das Abbürsten und Waschen rauten sich außerdem die Polyestergärtücher auf, der Teig klebt damit weniger stark fest. Die Baumwolltücher hingegen bekamen eine flachere Struktur, was die Teighaftung verstärkte. „Je rauer und luftdurchlässiger ein Material ist, desto geringer das Haftverhalten. Besonders stark klebt der Teig bei den Backblechen, die ja keine Luft durchlassen“, so Sebastian Moeller.

Die Ergebnisse der Studie sollen in Zukunft dabei helfen, Materialien und Werkstoffe auszuwählen oder zu entwickeln, an denen Teige weniger stark haften und auf denen sich weniger Keime bilden. So wollen die Wissenschaftler Hygiene und Produktivität von Bäckereien steigern, die Rohstoff-, Entsorgungs- und Reinigungskosten senken und die Arbeitssicherheit erhöhen. (swi)

Externer Link: www.kit.edu

Forscher entwerfen Datenbus für Quantencomputer

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 06.11.2017

Die Quantenwelt ist sehr fragil. Fehlerkorrekturcodes helfen, Quanteninformation vor Störungen zu schützen. Innsbrucker Quantenphysiker haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich kodierte Bauteile wie Prozessor und Speicher miteinander verbunden werden können. Mit der in der Fachzeitschrift Nature Communications präsentierten Methode kann ein Datenbus für Quantencomputer konstruiert werden.

Quantencomputer werden in Zukunft Rechenaufgaben bewältigen, an denen herkömmliche Computer scheitern. Weil Objekte in der Quantenwelt aber sehr sensibel auf Störungen reagieren, sind der Umsetzung heute noch Grenzen gesetzt. Obwohl die Systeme mit hohem Aufwand gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt werden, können bisher im Labor nur kleine Protoypen für Quantencomputer gebaut werden. Die Fehleranfälligkeit lässt sich reduzieren, indem die Quanteninformation nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert, sondern in einer größeren Anzahl an Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind gegenüber Störungen unempfindlicher. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehlerkorrekturcodes entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert. Physiker Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und Nicolai Friis, nun am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien, haben ein Verfahren gefunden, mit dem Quanteninformation zwischen unterschiedlichen, kodierten Systemen ausgetauscht werden kann.

Schnittstelle zwischen Prozessor und Speicher

Wie klassische Rechner kann auch der Quantencomputer der Zukunft aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen. Schon heute existieren im Labor erste Quantenprozessoren und Quantenspeicher. Für sie können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden, um logische Quantenbits zu kodieren: für Quantenprozessoren zum Beispiel sogenannte „Color“ Codes und für Quantenspeicher „Surface“ Codes. „Damit diese beiden Systeme quantenmechanisch miteinander sprechen können, müssen sie verschränkt werden“, sagt Doktorand Hendrik Poulsen Nautrup. „Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich kodierte Quantensysteme verbunden werden können.“ Dabei handelt es sich um lokale Eingriffe an einzelnen Elementen des kodierten Quantenbits. Die Wissenschaftler sprechen auch von „Gitterchirurgie“, mit der Systeme wie ein Quantenspeicher und ein Prozessor verschränkt werden können. Nachdem die beiden Systeme vorübergehend miteinander „vernäht“ wurden, kann die Quanteninformation vom Prozessor in den Speicher oder umgekehrt geladen werden. „Ähnlich wie ein Datenbus im klassischen Computer, kann diese Methode verwendet werden, um die Bauteile eines Quantencomputers miteinander zu verbinden“, erläutert Poulsen Nautrup.

Das neu entwickelte Verfahren soll demnächst im Labor umgesetzt werden und stellt einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem universellen Quantencomputer dar. Die Arbeit entstand im Rahmen des Doktoratskolleg Atoms, Light, and Molecules an der Universität Innsbruck und wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds und der Templeton World Charity Foundation finanziell unterstützt.

Publikation:
Fault-tolerant interface between quantum memories and quantum processors. Hendrik Poulsen Nautrup, Nicolai Friis, and Hans J. Briegel. Nature Communications 2017 DOI: 10.1038/s41467-017-01418-2

Externer Link: www.uibk.ac.at

Sprühtrocknung: Wirkstoffe passgenau verkapseln

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2017

Instant-Kaffee oder Milchpulver werden mittels Sprühtrocknung hergestellt. Fraunhofer-Forscher haben das Verfahren jetzt so angewandt, dass sich auch unlösliche Komponenten problemlos zu Kern-Schale-Partikeln verarbeiten lassen. Die neue Methode hilft dabei, Wirkstoffkonzentrationen bei medikamentösen Behandlungen zu senken.

Die Verkapselung von Wirkstoffen dient in der Kosmetik oder Pharmazie unter anderem dazu, Substanzen vor äußeren Einflüssen wie zum Beispiel aggressiver Magensäure zu schützen. Mit Hilfe der Verkapselung lässt sich aber auch die Freisetzung der Wirkstoffe im Körper steuern: Sie entweichen je nach Durchlässigkeit des Schalenmaterials nicht auf einmal, sondern nach und nach. Weil so geringere Dosen freigesetzt werden – diese dafür aber kontinuierlich – ist die medikamentöse Therapie besser verträglich und außerdem einfacher handhabbar. Denn anstatt dreimal täglich eine Tablette zu nehmen, reicht unter Umständen eine.

Unlösliche Stoffe sind problematisch

Um den Wirkstoff zu verkapseln, wird er zunächst in einer Flüssigkeit gelöst und mit dem Schalenmaterial vermischt. Danach wird die Lösung in das Zentrum einer Düse geleitet, wo Druckluft mit hoher Geschwindigkeit aus einem Ringkanal strömt. Aufgrund des Drucks wird die Lösung in feine Tröpfchen zerstäubt und anschließend in einen Trocknungszylinder gesprüht. Die Flüssigkeit verdampft und die Kern-Schale-Partikel bleiben als feines Pulver zurück.

Das Problem: Unlösliche Stoffe lassen sich nur schwer mit anderen Materialien vermischen. Das schränkt die Auswahl an Schalenmaterialien ein, die sich zur Herstellung der Partikel verwenden lassen.

Dreistoffdüse ermöglicht beliebige Materialkombinationen

»Wir haben daher für diesen Zweck eine Dreistoffdüse im Sprühverfahren eingesetzt. Damit ist es möglich, zwei Stoffe getrennt voneinander in die Düse einfließen zu lassen. Aufgrund der Scherkräfte vermischen sich die Substanzen an der Düsenöffnung und werden dann gemeinsam zerstäubt«, sagt Michael Walz, der zusammen mit Dr. Achim Weber das neuartige Verfahren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart etabliert und optimiert hat.

So lassen sich beliebige Materialien kombinieren und die Freisetzung der Wirkstoffe individuell steuern. »Je nach Stoff, Konzentration der Lösung, Volumenstrom der Flüssigkeiten, Trocknungstemperatur oder Druck, der an der Düse angelegt wird, können wir die Partikelgröße und die Effizienz der Verkapselung verändern. Damit sind wir in der Lage, auf alle Kundenwünsche zu reagieren und maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln«, sagt Weber.

Neben der Kosmetik- und Pharmaindustrie ist das neue Verfahren zur Verkapselung von Wirkstoffen auch für die Düngemittel- oder Lebensmittelherstellung interessant.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Pressemeldung der Universität Wien vom 11.08.2017

Erste Obergrenze für den Einfluss von Vielpfadinterferenz

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Das steht im Gegensatz zu klassischen Teilchen, die, wie eine Murmel, immer nur einem dieser Pfade folgen können. Die Wahrscheinlichkeit, dass das quantenmechanische Teilchen an einer Stelle auftrifft, folgt aus allen möglichen Kombinationen von Pfadpaaren, auch wenn die Welle eine größere Anzahl an Pfaden nutzt. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal „Science Advances“ publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit dieser Regeln mit unserer alltäglichen Erfahrung motiviert ForscherInnen seit langem zu einer Suche nach minimalen Änderungen der Quantenmechanik, die es erlauben den Übergang von der Quantenwelt in die klassische zu beschreiben. Ein möglicher Indikator für solch einen Übergang ist Vielpfadinterferenz. In der Standardquantenmechanik kann man jedes Interferenzmuster über die Kombination aller möglichen Pfadpaare nachbilden, unabhängig davon, wie viele Pfade die Welle tatsächlich nutzt. Jedes verbleibende Muster wäre die Folge von Vielpfadinterferenz und könnte auf neue physikalische Phänomene hinweisen.

Während bisherige Tests mit Licht oder Mikrowellenstrahlung durchgeführt wurden, stellt das Experiment der ForscherInnen aus Wien und Tel Aviv den ersten dezidierten Test mit massiven Teilchen dar. „Die Idee ist schon seit mehr als 20 Jahren bekannt. Doch erst jetzt haben wir die technologischen Möglichkeiten solch ein Experiment mit massiven Teilchen in die Tat umzusetzen“, sagt Christian Brand, einer der Hauptautoren der Studie.

Materiewellenbeugung an einem Mehrfachspalt

In ihren Experimenten an der Universität Wien untersucht die Gruppe für Quantennanophysik um Markus Arndt die Welleneigenschaften von komplexen organischen Molekülen. Um die Moleküle in solch einen nicht-klassischen Zustand zu überführen, wurden sie von einer wenige Mikrometer großen Quelle im Hochvakuum verdampft, wo sie sich ungehindert ausbreiteten. Nach einer gewissen Zeit waren die Moleküle delokalisiert. Das heißt, dass es unmöglich war festzustellen, wo sie sich genau befanden. Sobald ein delokalisiertes Molekül auf ein Gitter traf, war es so, als ob es mehrere Spalte gleichzeitig passierte. Das resultierende Interferenzmuster wurde an einem Detektor aufgenommen und sorgsam ausgewertet. Durch den Vergleich der Beugungsbilder von Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten gelang es den WissenschafterInnen Höchstgrenzen für den Anteil von Vielpfadinterferenz anzugeben.

Nanofabrikation: eine wegweisende Technologie

Eine wesentliche Komponente des Experiments war die Maske – eine ultradünne Membran aus Kohlenstoff, in die die verschiedenen Schlitze geschrieben wurden. Sie wurde entworfen und hergestellt von Yigal Lilach und Ori Cheshnovsky an der Universität von Tel Aviv. Die Anforderungen an die Maske waren enorm. So mussten die Abweichungen der Schlitzparameter zu der Größe der Moleküle vergleichbar sein, die an ihnen gebeugt wurden. An diesen Strukturen wurden dann in Wien die Interferenzexperimente durchgeführt. Insgesamt konnte ein großer Bereich an molekularen Geschwindigkeiten in den Experimenten untersucht werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass alle untersuchten Geschwindigkeiten den Vorhersagen der Quantenmechanik mit einer maximalen Unsicherheit von einem Prozent folgten. „Das ist der erste explizite Test dieser Art, der mit massiven Teilchen durchgeführt wurde“, erklärt Joseph Cotter, der Erstautor dieser Publikation. „Frühere Studien haben wegweisende Experimente mit Licht und Mikrowellenstrahlung durchgeführt. Mit diesem Experiment gelang es uns erstmals Obergrenzen für den Anteil von Vielpfadinterferenz mit Materiewellen festzulegen.“

Originalpublikation:
In search of multipath interference using large molecules
J. P. Cotter, C. Brand, C. Knobloch, Y. Lilach, O. Cheshnovsky, M. Arndt. In: Science Advances 3, e1602478 (2017)
Doi: 10.1126/sciadv.1602478

Externer Link: www.univie.ac.at