Medienmitteilung der ETH Zürich vom 14.08.2013

Noch können ETH-Forschende keine Gegenstände oder Personen aus Fleisch und Blut durch das All «beamen», wie das in Science-Fiction-Filmen gezeigt wird. Ihnen gelang es jedoch, Informationen von A nach B zu teleportieren – zum ersten Mal auf einem Chip, ähnlich einem Computerchip.

Physikern der ETH Zürich ist es erstmals gelungen, eine Information in einem sogenannten Festkörpersystem zu teleportieren. Dies gelang den Forschern auf einem Chip. Er unterscheidet sich von einem herkömmlichen Computerchip dadurch, dass die Informationen darauf nicht nach den Gesetzen der klassischen Physik, sondern nach jenen der Quantenphysik gespeichert und verarbeitet werden. In einer in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature» publizierten Studie gelang es den Forschenden, Information über sechs Millimeter zu teleportieren, von einer Ecke des Chips in die gegenüberliegende Ecke. Dies nota bene ohne dass bei der Informationsübertragung physikalische Teilchen den Weg von der Sender-Ecke in die Empfänger-Ecke zurückgelegt hätten.

«Bei der gewöhnlichen Telekommunikation wird die Information über elektro-magnetische Impulse übertragen. Beispielsweise transportiert man im Mobilfunk gepulste Radiowellen und in Glasfaserverbindungen gepulste Lichtwellen», erklärt Andreas Wallraff, Professor am Laboratorium für Festkörperphysik und Leiter der Studie. Bei der Quantenteleportation hingegen transportiere man nicht den Informationsträger selbst, sondern ausschliesslich die Information. Dies, indem man quantenmechanische Eigenschaften des Systems nutze, insbesondere die Verschränkung von Sende- und Empfängereinheit. Damit ist eine für Nicht-Physiker «magisch» anmutende Verbindung gemeint, die die Gesetze der Quantenphysik nutzt.

«Wie beim Beamen»

Zur Vorbereitung der Quantenteleportation bringt man Sende- und Empfängereinheit in einen verschränkten Zustand. Anschliessend können die beiden Einheiten physikalisch voneinander getrennt werden, denn der verschränkte Zustand bleibt erhalten. Beim Experiment programmieren die Physiker in der Sendeeinheit eine quantenmechanische Information. Weil die beiden Einheiten miteinander verschränkt sind, kann man diese Information auch in der Empfängereinheit ablesen. «Quantenteleportation ist vergleichbar mit dem Beamen in der Science-Fiction-Serie Star Trek», sagt Wallraff. «Die Information reist nicht von Punkt A zu Punkt B. Vielmehr erscheint sie an Punkt B und verschwindet an Punkt A, wenn man sie an Punkt B abliest.»

Hohe Übertragungsrate

Die Distanz von sechs Millimetern, über die die ETH-Forscher teleportierten, mag im Vergleich mit anderen Teleportationsexperimenten kurz erscheinen. Vor einem Jahr ist es beispielsweise österreichischen Wissenschaftlern gelungen, eine Information über mehr als hundert Kilometer zwischen den beiden Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa zu teleportieren. Dieser und ähnliche Versuche waren jedoch grundlegend anders, da es sich dabei um optische Systeme mit sichtbarem Licht handelte. Den ETH-Forschenden ist es hingegen zum ersten Mal gelungen, Informationen in einem System mit supraleitenden elektronischen Schaltungen zu teleportieren. «Das ist interessant, weil solche Schaltungen wichtige Elemente für den Bau von zukünftigen Quantencomputern sind», sagt Wallraff. Ein weiterer Vorteil des Systems der ETH-Wissenschaftler: Es ist extrem schnell und deutlich schneller als die meisten bisherigen Teleportationssysteme. Pro Sekunde lassen sich damit etwa 10’000 Quantenbits übertragen.

«Wichtige Zukunftstechnologie»

Als nächstes möchten die Forschenden mit ihrem System den Abstand zwischen Sender und Empfänger vergrössern. Zunächst möchten sie versuchen, Information von einem Chip auf einen anderen zu teleportieren. Und langfristig geht es darum zu erforschen, ob man mit elektronischen Schaltungen auch über grössere Distanzen Quantenkommunikation betreiben kann, so wie das jetzt mit optischen Systemen gemacht wird.

«Teleportation ist eine wichtige Zukunftstechnologie auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung», sagt Wallraff. Damit lasse sich beispielsweise Information auf einem Quantenchip oder in einem zukünftigen Quantenprozessor von einem Punkt zu einem anderen transportieren. Gegenüber den heutigen Informations- und Kommunikationstechnologien, die auf der klassischen Physik beruhen, hat quantenphysikalische Information den Vorteil, dass die Informationsdichte viel höher ist: In Quantenbits lässt sich mehr Information speichern und effizienter verarbeiten als in der gleichen Anzahl klassischer Bits.

Originalpublikation:
Steffen L, Salathe Y, Oppliger M, Kurpiers P, Baur M, Lang C, Eichler C, Puebla-Hellmann G, Fe-dorov A, Wallraff A: Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system. Nature, 2013, 500: 319-322, doi: 10.1038/nature12422.

Externer Link: www.ethz.ch

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 05.08.2013

Für Quantenphysiker gehört die Verschränkung mittlerweile zum täglichen Handwerkszeug. Für den Bau von zukünftigen Quantencomputern bildet sie die wesentliche Grundlage. Nun haben Innsbrucker Forscher gemeinsam mit Schweizer Kollegen in der Fachzeitschrift Nature Physics eine neue, sehr verlässliche Methode zum Nachweis von Verschränkung veröffentlicht.

Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantenkryptografie sind ohne Verschränkung nicht denkbar. Für viele zukünftige Quantentechnologien bildet diese, für unser Alltagsverständnis seltsam erscheinende Eigenschaft von Quantensystemen die wesentliche Grundlage. Experimentalphysiker stehen daher heute in ihren Labors sehr häufig vor der Aufgabe, die Verschränkung in Quantensystemen eindeutig nachzuweisen. „Wir haben vor zwei Jahren erstmals 14 Ionen kontrolliert miteinander verschränkt“, erzählt Thomas Monz aus der Arbeitsgruppe von Rainer Blatt am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Das Team hält bis heute den Weltrekord für die größte je im Labor miteinander verschränkte Anzahl von Teilchen. „Für den Nachweis von Verschränkung mussten wir bisher einige, experimentell kalibrierte Annahmen machen. Aber Annahmen – zu Beispiel über die Anzahl der Dimensionen im System oder Kalibrierungen – machen Ergebnisse angreifbar“, sagt Monz, der nun gemeinsam mit Julio Barreiro, heute am Max Planck Institut für Quantenoptik in Garching, und Jean-Daniel Bancal aus der Arbeitsgruppe um Nicolas Gisin an der Universität Genf, jetzt am Zentrum für Quantuntechnologien in Singapur, ein neues Messverfahren für den Nachweis der Verschränkung mehrerer Quantenobjekte entwickelt und getestet hat.

Korrelationen bestimmen

Diese vom Messsystem weitgehend unabhängige Methode geht von einer einzigen Annahme aus: „Wir müssen lediglich sicherstellen, dass wir an den einzelnen Quantenobjekten Operationen aus einem fixen Satz an Operationen durchführen, und dass diese Operationen untereinander unabhängig sind“, erklärt Julio Barreiro. „Welche Operationen aber im Detail durchführt werden, spielt dabei keine Rolle mehr.“ So schließen die Physiker viele Fehlerquellen und damit Fehlinterpretationen von Ergebnissen aus. „Am Ende untersuchen wir die Korrelationen zwischen den Messergebnissen der einzelnen Quantensysteme und den Messeinstellungen. Übersteigen die Korrelationen einen bestimmten Wert, dann gilt das als verlässliche Aussage darüber, dass die Objekte des Quantensystems miteinander verschränkt sind.“ Für die experimentell nur schwer vermeidbare gegenseitige Beeinflussung der im Innsbrucker Experiment in einer Vakuumkammer nebeneinander schwebenden Kalziumionen bei der Manipulation mit einem Laser hat der Schweizer Theoretiker Jean-Daniel Bancal den notwendigen Wert des Korrelationskoeffizienten nach oben korrigiert. „Wenn dieser Wert bei der Auswertung überschritten wird, kann mit Sicherheit von einem verschränkten System ausgegangen werden“, sagt Bancal.

Annahmen als Achillesferse

Für die Physik sind Verfahren, die von sehr wenigen Grundannahmen ausgehen, hochinteressant. Sie sind weitgehend unabhängig vom System, arbeiten extrem zuverlässig und stärken das Vertrauen in die Ergebnisse der Experimentalisten. „Annahmen sind die Achillesferse vieler Verfahren – experimentell wie auch in der Theorie“, betont Thomas Monz. „Uns ist es hier gelungen, die Zahl der notwendigen Annahmen für den Nachweis von Verschränkung in einem Quantensystem auf ein Minimum zu reduzierten. Wir erhalten damit eine sehr verlässliche Aussage, ob ein System von mehreren Quantenteilchen verschränkt ist oder nicht.“ In ihrem Labor konnten die Innsbrucker Physiker die Verschränkung von sechs Kalziumionen nachweisen. Die neue Methode kann auch in größeren Systemen eingesetzt werden, der technische Aufwand steigt mit der Zahl der Teilchen allerdings deutlich an.

Publikation:
Demonstration of genuine multipartite entanglement with device-independent witnesses. Julio T. Barreiro, Jean-Daniel Bancal, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Markus Hennrich, Thomas Monz, Nicolas Gisin, and Rainer Blatt. Advance Online Publication, Nature Physics 2013 (DOI: 10.1038/NPHYS2705)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Pressemeldung der Universität Wien vom 09.07.2013

Das „Wunder“-Material Graphen verheißt einen vielfältigen und weitreichenden Einsatz in der Elektronik der Zukunft, das die traditionelle Silizium-Technologie ergänzen oder sogar ersetzen könnte. Physikern an der Universität Wien ist es nun gelungen, eine neuartige Struktur aus hochwertigem Metall-Silicid zu erzeugen, die von einer schützenden Graphen-Schicht bedeckt ist. Ihre Methode könnte wegweisend für die Materialwissenschaften werden. Die Forscher der Gruppe „Elektronische Materialeigenschaften“ an der Fakultät für Physik und ihre internationalen KollegInnen veröffentlichten ihre Ergebnisse im neuen Open Access Journal des renommierten Verlagshauses Nature: Scientific Reports.

Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen wie z.B. seine unglaubliche Festigkeit und sein zugleich äußerst geringes Gewicht haben große Erwartungen in der modernen Materialwissenschaft geweckt. Graphen – ein zweidimensionaler Kristall aus Kohlenstoff-Atomen, der in einem bienenwabenförmigen Muster angeordnet ist – steht schon lange im Zentrum intensiver Forschung, die 2010 in einem Nobelpreis für Physik gipfelte.

Eine richtungsweisende Herausforderung ist die erfolgreiche Einbindung von Graphen in die etablierte Metall-Silicid-Technologie. Wissenschafter von der Universität Wien und ihren KollegInnen von Forschungsinstituten in Deutschland und Russland ist nun ein erster Schritt in diese Richtung gelungen: Sie erzeugten eine neuartige Struktur aus hochwertigem Metall-Silicid, die von einer schützenden Graphen-Schicht bedeckt ist. Diese zweidimensionalen Schichten sind so dünn wie ein einzelnes Atom.

In Einsteins Fußstapfen

Um die grundlegenden Eigenschaften der neuen Struktur zu entschlüsseln, greifen die Wissenschafterinnen zu leistungsstarken Messtechniken, die auf einer von Einsteins brillanten Entdeckungen beruhen – auf dem photoelektrischen Effekt. Wenn ein Lichtteilchen mit einem Material wechselwirkt, kann es all seine Energie auf ein Elektron innerhalb des Materials übertragen. Wenn die Energie des Lichts ausreichend groß ist, gewinnt das Elektron genug Energie, um aus dem Material auszubrechen. Wertvolle Informationen über die elektronischen Eigenschaften des Materials können die Wissenschafter dann mithilfe der sogenannten winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) gewinnen, indem sie den Winkel messen, unter dem die Elektronen das Material verlassen. „Schichten so dünn wie einzelne Atome und daraus hergestellte Hybridmaterialien ermöglichen uns, eine Fülle von ungewöhnlichen elektronischen Phänomenen zu studieren. Die ARPES-Methode spielt dabei eine Schlüsselrolle“, sagen Alexander Grüneis und Nikolay Verbitskiy, Mitglieder der Gruppe „Elektronische Materialeigenschaften“ an der Universität Wien und Koautoren der Publikation.

Anwendung bei Halbleitern und Photovoltaik

In ihren Untersuchungen fanden die Wissenschafter heraus, dass die mit Graphen überzogenen Silicide zuverlässig gegen Oxidation geschützt sind und ein breites Spektrum von elektronischen Materialien und anwendungsorientierten Bauelementen abdecken können.

Eine besonders wichtige Entdeckung ist dabei, dass die Graphen-Schicht selbst kaum mit den darunterliegenden Siliciden wechselwirkt. Dadurch bleiben die einzigartigen Eigenschaften von Graphen überwiegend erhalten. Die Arbeit des Forscherteams wartet mit einem ausgeklügelten Verfahren auf, um Graphen mit der bestehenden Metall-Silicid-Technologie zu verknüpfen, die eine breite Anwendung in Halbleiterbauelementen, Spintronik, Photovoltaik und Thermoelektrik findet.

Die Forschung zu Graphen-bezogenen Materialien wird durch ein Marie-Curie-Fellowship der Europäischen Kommission und durch ein APART-Fellowship der Österreichischen Akademie der Wissenschaften finanziert.

Originalpublikation:
„Controlled assembly of graphene-capped nickel, cobalt and iron silicides“:
O. Vilkov, A. Fedorov, D. Usachov, L. V. Yashina, A. Generalov, K. Borygina, N. I. Verbitskiy, A. Grüneis und D. V. Vyalikh
Scientific Reports, 9. Juli 2013,
DOI: 10.1038/srep02168

Externer Link: www.univie.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.07.2013

Neues „LIGA2.X“-Verfahren fertigt hochpräzise Kunststoff-Mikrobauteile / Forschung mit dem Großgerät ANKA ermöglicht industriereife Spritzguss-Anwendung

Drei Puzzlestücke von je knapp einem Millimeter Größe fügen sich zum wahrscheinlich kleinsten Puzzle der Welt zusammen. Hergestellt haben es Forscher mit dem neuen Verfahren „LIGA2.X“, dass mikrostrukturierte Guss-Formen mit der Synchrotronstrahlenquelle ANKA am KIT herstellt. Damit gelingt es, kostengünstige Massenfertigung und höchste Präzision auf der Mikroskala zu vereinen, etwa für Bauteile in Uhren, Motoren oder Medizinprodukten. Winzige Spritzgussteile in großen Stückzahlen mit höchster Genauigkeit werden nun möglich.

Mit dem LIGA-Verfahren lassen sich Mikrostrukturen aus verschiedenen Metallen, Keramiken oder Kunststoffen herstellen. Die Abkürzung steht für Lithografie, Galvanik und Abformung. LIGA ermöglicht Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen (Höhe relativ zur geringsten Breite) und bietet viele Möglichkeiten der Formgebung. Das in den 1980er Jahren in Karlsruhe entwickelte Verfahren wird ständig weiterentwickelt. Nun haben Wissenschaftler am KIT eine neue Modifikation des LIGA-Prozesses erarbeitet.

Das LIGA2.X-Verfahren zielt auf die kostengünstige Massenproduktion von Kunststoff-Mikrobauteilen mit einem Volumen von unter 0,5 Kubikmillimetern. Beim Mikrospritzgießen von Teilen dieser Größe bedurfte es bisher einer Substratplatte, welche die Bauteile miteinander verbindet, damit sich diese aus der Form lösen lassen. LIGA2.X macht diese Schicht überflüssig und erlaubt es, die Bauteile direkt und einzeln über das Mikrospritzgießen zu fertigen. Damit erübrigt sich die schwierige, zeit- und kostenaufwendige Trennung der Bauteile von der Substratplatte. „LIGA2.X spart nicht nur Kosten ein, sondern gewährt auch größere Freiheiten bei der Anordnung strukturierter Formnester in Mehrfachformen“, erklärt Jochen Heneka, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffprozesstechnik (IAM-WPT) des KIT.

Die in LIGA2.X eingesetzten Werkzeuge für das Mikrospritzgießen bestehen aus drei Platten, um die einzelnen Formteile aus der Form zu lösen, und vier LIGA-Formen, welche sich wechselbar in eine Werkzeugplatte einbauen lassen. Durch Auseinanderbewegen der ersten und zweiten Formplatte wird das Bauteil aus der LIGA-Form gelöst, mithilfe der dritten Platte wird der Anguss sauber entfernt. Zur Herstellung der mikrostrukturierten LIGA-Formen mithilfe der Röntgentiefenlithografie nutzten die Wissenschaftler die Synchrotronstrahlenquelle ANKA am Campus Nord des KIT. (or)

Externer Link: www.kit.edu