Das Quantenecho kommt gleich mehrfach

Presseaussendung der TU Wien vom 24.09.2020

Ein Forschungsteam aus Garching und Wien entdeckte einen bemerkenswerten Echoeffekt – er bietet spannende neue Möglichkeiten für die Arbeit mit Quanteninformation.

Kleine Teilchen können einen Drehimpuls haben, der in eine bestimmte Richtung zeigt – den sogenannten Spin. Durch ein Magnetfeld lässt sich dieser Spin manipulieren. Das nutzt man etwa für die Magnetresonanztomographie aus, wie sie in Krankenhäusern eingesetzt wird. Nun stieß ein internationales Forschungsteam auf einen überraschenden Effekt bei einem System, das sich besonders gut für die Verarbeitung von Quanteninformation eignet: die Spins von Phosphor-Atomen in einem Stück Silizium, die an einen Mikrowellen-Resonator gekoppelt werden können. Regt man diese Spins geschickt mit Mikrowellen-Pulsen an, so kann man nach einer bestimmten Zeit ein so genanntes Spin-Echosignal detektieren – das eingespeiste Pulssignal wird als Quantenecho wieder ausgesendet. Erstaunlicherweise stellt sich dieses Quantenecho nicht nur einmal ein, sondern es lässt sich eine ganze Serie von Echos detektieren. Das eröffnet neue Möglichkeiten, wie mit solchen Quantensystemen Information verarbeitet werden kann.

Die Experimente wurden am Walther-Meißner-Institut in Garching an der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Technischen Universität München durchgeführt, die theoretische Erklärung dazu entstand an der Technischen Universität Wien. Nun wurde die gemeinsame Arbeit im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Das Echo der Quantenspins

„Spin-Echos kennt man schon lange, das ist nichts Ungewöhnliches“, sagt Prof. Stefan Rotter von der TU Wien. Zunächst erreicht man durch ein Magnetfeld, dass die Spins vieler Teilchen in dieselbe magnetische Richtung zeigen. Dann bestrahlt man die Teilchen mit einem elektromagnetischen Puls, und plötzlich beginnen ihre Spins ihre Richtung zu ändern.

Allerdings sind die Teilchen jeweils in geringfügig unterschiedliche Umgebungen eingebettet. Es kann daher sein, dass auf unterschiedliche Teilchen leicht unterschiedliche Kräfte wirken. „Dadurch verändert sich der Spin nicht bei allen Teilchen gleich schnell“, erklärt Dr. Hans Hübl von der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. „Manche Teilchen ändern ihre Spin-Richtung schneller als andere, und bald hat man ein wildes Durcheinander von Spins mit ganz unterschiedlichen Ausrichtungen.“

In dieses scheinbare Chaos kann man allerdings neue Ordnung bringen – mit Hilfe eines weiteren elektromagnetischen Pulses. Ein geeigneter Puls kann nämlich die vorherige Spin-Drehung wieder umkehren, sodass die Spins alle wieder zueinanderstreben. „Man kann sich das so ähnlich vorstellen wie bei einem Marathon“, sagt Stefan Rotter. „Beim Startsignal sind alle Läufer noch gemeinsam am Start; dadurch, dass manche Läufer schneller unterwegs sind als andere, wird das Feld der Läufer im Laufe der Zeit immer weiter auseinandergezogen. Wenn man nun jedoch allen Läufern das Signal gibt, wieder zum Start zurückzukehren, würden alle Läufer wieder ungefähr zum gleichen Zeitpunkt an den Start zurückkommen, obwohl schnellere Läufer einen längeren Rückweg zurücklegen müssen als langsamere.“

Bei den Spins bedeutet das, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Teilchen wieder genau dieselbe Spin-Richtung haben – und das bezeichnet man als „Spin-Echo“. „Dass wir bei unseren Experimenten ein Spin-Echo messen konnten, hatten wir auf Basis unserer Erfahrung in diesem Gebiet bereits erwartet“, sagt Hans Hübl. „Das Bemerkenswerte ist nun allerdings, dass wir nicht nur ein einziges, sondern gleich mehrere Echos messen konnten.“

Der Spin, der sich selbst beeinflusst

Zunächst war unklar, wie dieser neuartige Effekt zustande kommt. Doch genauere theoretische Analysen ermöglichten nun, das Phänomen zu verstehen: Es liegt an der starken Kopplung zwischen den beiden Bestandteilen des Experiments – den Spins und den Photonen in einem Mikrowellen-Resonator, einem elektrischen Schaltkreis, in dem Mikrowellen nur mit bestimmten Wellenlängen existieren können. „Diese Kopplung ist das Wesentliche an unserem Experiment: In den Spins kann man Information speichern, und mit Hilfe der Mikrowellenphotonen im Resonator kann man sie verändern und auslesen“, sagt Hans Hübl.

Die starke Kopplung zwischen den Atomspins und dem Mikrowellen-Resonator sorgt zusätzlich aber auch für das Mehrfach-Echo: Wenn die Spins der Atome nämlich beim ersten Echo alle wieder in dieselbe Richtung zeigen, entsteht genau dadurch ein elektromagnetisches Signal. „Dank der Kopplung an den Mikrowellen-Resonator wirkt dieses Signal wieder auf die Spins zurück, und das führt zu einem weiteren Echo – und immer so weiter“, erklärt Stefan Rotter. „Die Spins verursachen von selbst den elektromagnetischen Puls, der für das nächste Echo verantwortlich ist.“

Die Physik des Spin-Echos hat eine große Bedeutung für technische Anwendungen – sie ist ein wichtiges Grundprinzip, das hinter der Magnetresonanztomographie steckt. Welche neuen Möglichkeiten nun in dem Mehrfach-Echo stecken, etwa für die Verarbeitung von Quanteninformation, soll nun genauer untersucht werden. „Fest steht, dass sich dadurch völlig neue Möglichkeiten ergeben“, sagt Rudolf Gross, Co-Autor der Studie und Direktor des Walther-Meißner Instituts in Garching, sowie Professor für Technische Physik an der TU München. „Eine regelmäßige Serie quantenphysikalischer Signale ist für uns ein aufregendes neues Werkzeug.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
S. Weichselbaumer et al., Echo Trains in Pulsed Electron Spin Resonance of a Strongly Coupled Spin Ensemble, Phys. Rev. Lett. 125, 137701 (2020)

Externer Link: www.tuwien.at

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

THI-Studierende entwickeln Transportmittel für Personen mit Handicap

Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 21.07.2020

Patiententransport und Transport bei Evakuierung in Notfällen – Projekt mit südafrikanischer Stiftung Shonaquip

Die Zusammenarbeit von THI-Studierenden mit der südafrikanischen Charity-Stiftung Shonaquip geht in die nächste Runde: Nachdem die Studierenden im vergangenen Semester unter Leitung von Prof. Dr. Marco Di Maio, Professor für Systems Engineering und Ingenieurinformatik, Stehhilfen für südafrikanische Kinder mit Handicap weiterentwickelt hatten, stellte sich eine neue Studierendengruppe nun der Herausforderung, Transportmittel für Personen mit Handicap u.a. zur schnelleren Evakuierung in Notfallsituationen zu konzipieren.

Ziel war es, Transportmittel zu entwerfen, die in Situationen eingesetzt werden können, für die Rollstühle ungeeignet sind. Neben der medizinisch korrekten Positionierung der Person im Transportmittel kam es dabei vor allem darauf an, dass sich der „Transporter“ einfach herstellen, reparieren und vielseitig verwenden lässt. Hierzu muss er sich auch auf schwierigem Untergrund kontrolliert bewegen und platzsparend zusammenklappen lassen, damit die Person beispielsweise von einem Sammeltaxi mitgenommen werden kann.

So entwarfen die Studierenden unter anderem Konzepte für Transportmittel, bei der die Person stabil in einem Stoff-Vollkörpergurt hängt, der mit gefederten Karabinern sicher an einem transportierbaren Rahmen befestigt werden kann. Der Vorteil: Stöße, die beim Transport leicht entstehen können, werden nicht auf den Körper der Person übertragen, die typischerweise sehr empfindlich auf Belastung reagiert. Ein anderes Konzept erlaubt es, die Person zu ziehen, was sich vor allem in unwegsamem Gelände als großer Vorteil erweist.

Die Charity-Stiftung Shonaquip, die die Konzepte nun für eine mögliche Umsetzung prüft, hat den Studierenden bereits Praktika in Südafrika angeboten, in denen sie ihre Konzepte realisieren können.

Externer Link: www.thi.de

Atome streicheln für Fortgeschrittene

Presseaussendung der TU Wien vom 09.06.2020

Wie kann man Oberflächen möglichst sanft und zerstörungsfrei auf atomarer Skala abbilden? An der TU Wien verwendet man ein einzelnes Sauerstoffatom als Fühler.

Sauerstoff ist höchst reaktiv, er lagert sich an vielen Oberflächen an und bestimmt dadurch auch ihr chemisches Verhalten. An der TU Wien studiert man die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und Metalloxid-Oberflächen, die für viele technische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen – von chemischen Sensoren über Katalysatoren bis hin zur Elektronik.

Allerdings ist es extrem schwierig, die Sauerstoffatome auf der Metalloxid-Oberfläche zu untersuchen, ohne sie dabei zu verändern. An der TU Wien gelang das nun mit einem speziellen Trick: An der äußersten Spitze eines Rasterkraftmikroskops wird ein einzelnes Sauerstoffatom befestigt und sanft über die Oberfläche geführt. Die Kraft zwischen Oberfläche und Sauerstoffatom wird gemessen – und so lässt sich ein Bild mit extrem hoher Auflösung anfertigen. Die Resultate wurden nun im Fachjournal PNAS publiziert.

Sauerstoff ist nicht gleich Sauerstoff

„In den letzten Jahren wurde viel daran geforscht, wie sich Sauerstoff an Metalloxid-Oberflächen anlagert“, sagt Martin Setvin vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Handelt es sich um O2-Moleküle? Oder werden die Moleküle in einzelne Sauerstoffatome zerlegt? Oder bildet sich vielleicht das sogenannte Tetraoxygen, ein Komplex aus vier Atomen? Solche Fragen sind wichtig, um chemische Reaktionen an der Metalloxid-Oberfläche zu verstehen.“

Leider ist es nicht einfach, ein Bild von diesen Atomen aufzunehmen. Oft werden Rastertunnelmikroskope eingesetzt, um Oberflächen Atom für Atom abzubilden. Dabei führt man eine feine Spitze in minimalem Abstand über die Probe, sodass einzelne Elektronen zwischen Probe und Spitze überwechseln können. Gemessen wird der elektrische Strom, der dabei fließt. Diese Methode lässt sich in diesem Fall allerdings nicht einsetzen – die Sauerstoffmoleküle würden elektrisch aufgeladen werden und dadurch ihr Verhalten völlig verändern.

Daher verwendete man stattdessen ein Rasterkraftmikroskop. Auch hier lässt man eine dünne Spitze über die Oberfläche wandern, doch in diesem Fall fließt kein Strom, gemessen wird hingegen die Kraft, die zwischen Spitze und Oberfläche wirkt. Entscheidend war ein besonderer Trick – die Funktionalisierung der Spitze: „Ein einzelnes Sauerstoffatom wird zunächst von der Spitze des Rasterkraftmikroskops erfasst und dann mit der Spitze über die Oberfläche bewegt“, erklärt Igor Sokolović. Das Sauerstoffatom dient somit als hochsensible Sonde, um Punkt für Punkt die Oberfläche zu untersuchen.

Weil dabei kein Strom fließt und das Sauerstoffatom nie ganz in Kontakt mit der Oberfläche kommt, ist diese Methode extrem sanft und verändert die Atome auf der Metalloxid-Oberfläche nicht. So kann man die Geometrie der Sauerstoff-Anlagerungen auf dem Metalloxid genau untersuchen.

Vielseitig einsetzbare Methode

„Dieses Funktionalisieren der Spitze, indem man ein ganz bestimmtes Atom daraufsetzt, wurde in den letzten Jahren entwickelt, wir zeigen nun erstmals, wie erfolgreich die Methode bei Metalloxid-Oberflächen sein kann“, sagt Setvin. Es zeigt sich, dass die Sauerstoffmoleküle auf unterschiedliche Weisen am Metalloxid angelagert werden können – entweder auf den Titan-Atomen der Oberfläche, oder an bestimmten Stellen, an denen im Titanoxid ein Sauerstoffatom fehlt. Je nach Temperatur kann es dann zu einem Aufspalten der Sauerstoffmoleküle in zwei einzelne Sauerstoffatome kommen. Tetraoxygen, ein hypothetischer Komplex aus vier Sauerstoffatomen, wurde hingegen nicht gefunden.

„Die Titanoxid-Oberflächen, die wir auf diese Weise untersuchen, sind ein prototypischer Fall, um die Methode genau zu testen“, erklärt Martin Setvin. „Aber die Erkenntnisse, die wir daraus gewinnen, gelten natürlich auch für viele andere Materialien.“ Die Mikroskopie mit funktionalisierter Spitze in einem Rasterkraftmikroskop ist eine vielseitige Methode, um zerstörungsfrei und ohne elektronische Veränderung eine Oberflächenstruktur mit atomarer Auflösung abzubilden. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
M. Setvin et al., „Resolving the adsorption of molecular O2 on the rutile TiO2(110) surface by non-contact atomic force microscopy,“ PNAS (2020)

Externer Link: www.tuwien.at