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

InnateFun: Moleküle stärken Immunsystem

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2020

Infektionen stellen für Patienten im Krankenhaus eine steigende Gefahr dar. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat im Projekt InnateFun zusammen mit mehreren Partnern einen neuen Therapieansatz erarbeitet. Dabei werden die Immunrezeptoren der Zellen so beeinflusst, dass die Zellen die schädlichen Mikroorganismen besser abwehren können. Bei Infektionen mit den auch in Krankenhäusern verbreiteten Hefepilzen der Gattung Candida wurde dieser Therapieansatz bis zum Tiermodell untersucht. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend.

Krankenhäuser sind Orte der Rettung, können aber auch Gefahren bergen. Denn das Risiko, sich bei einem Krankenhausaufenthalt mit Keimen oder Viren zu infizieren, ist nicht unerheblich. Für Patientinnen und Patienten, die ohnehin geschwächt sind oder sich gerade von einer Operation erholen, kann eine zusätzliche Infektion schwerwiegende Komplikationen zur Folge haben. Invasive Infektionen mit Pilzen der Gattung Candida oder Aspergillus sind besonders gefürchtet. Candida findet sich häufig auch als Biofilm auf medizinischen Geräten wie etwa Kathetern. Der herkömmliche therapeutische Ansatz, die Infektion durch Medikamente zu bekämpfen, die die Pathogene abtöten sollen, ist oftmals nicht zielgerichtet genug und stößt da an seine Grenzen, wo die krankmachenden Mikroorganismen resistent geworden sind.

Das Fraunhofer IGB verfolgt im Projekt InnateFun einen neuen Ansatz. Die Stuttgarter Forscherinnen und Forscher machen sich die Fähigkeiten des menschlichen Immunsystems als Verteidigungssystem zu Nutze. Prof. Steffen Rupp, stellvertretender Institutsleiter und Koordinator des Geschäftsfelds Gesundheit, erklärt: »Die grundlegende Idee des Projekts besteht darin, das Immunsystem zu befähigen, schneller, wirksamer und gezielter auf eine Infektion zu reagieren.« Dazu haben am Fraunhofer IGB Dr. Anke Burger-Kentischer und ihr Team Reporter-Zelllinien, die sie selbst etabliert und patentiert haben, mit Molekülen versetzt, die in ihrer Struktur den Pathogenen ähnlich sind, um damit eine Reaktion der Immunrezeptoren auszulösen. Die Idee dahinter: Wenn das Immunsystem auf die Moleküle reagiert, bekämpft es auch die echten Pathogene effektiver.

Immunsystem im Reagenzglas

Was einleuchtend und logisch klingt, ist ein aufwendiger Prozess. »Die Schwierigkeit bestand darin, aus vielen tausend Molekülen diejenigen herauszufinden, bei denen die Reporter-Zelllinien eine Reaktion zeigen«, sagt Dr. Burger-Kentischer. Deshalb wurden zunächst via Computational Chemistry durch das Fraunhofer Project Center for Drug Delivery and Discovery at Hebrew University einige hundert Moleküle herausgefiltert, die als Kandidaten infrage kommen. Dabei handelt es sich um ein in der Pharmaforschung gängiges Verfahren, mit dem man am Rechner die Eigenschaften und Strukturen von Molekülen oder auch Festkörpern untersucht und simuliert. Im zweiten Schritt wurden die Moleküle, die man am Computer nur virtuell gebaut hatte, im Labor chemisch synthetisiert.

Im dritten Schritt setzten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IGB die in einer Lösung befindlichen Substanzen nacheinander auf die speziell hergestellten Zelllinien an. Bei diesem Verfahren, in der Fachsprache als Assay bezeichnet, erkennen die Forscher schließlich an einer Farbreaktion, auf welche Substanzen die Zellen reagieren. Deren Immunrezeptoren aktivieren ein sogenanntes Reporter-Gen, das die Farbreaktion auslöst.

Mit den Molekülen, die bei den In-vitro-Tests eine Reaktion ausgelöst haben, starteten die Versuche in die nächste Phase, dem Ex-vivo-Experiment. Hier wurden die Tests wiederholt, aber diesmal nicht mit den Zelllinien, sondern mit menschlichem Blut und daraus aufgereinigten Immunzellen. Jetzt können die Forschenden sehen, ob und wie die Immunrezeptoren in einer natürlichen (primären) Zelle auch auf die Moleküle (Immunmodulatoren) reagieren.

Die weiteren Parts übernahmen Kooperationspartner, die mit dem Fraunhofer IGB bei InnateFun zusammenarbeiten. Zu den Forschungspartnern gehören das Unternehmen EMC microcollections GmbH in Tübingen, die Hebrew University of Jerusalem in Israel mit dem Fraunhofer Project Center for Drug Delivery and Discovery at Hebrew University, die Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, die Universitätsklinik Lille, Frankreich und die Universität Wien. Die Partner übernahmen die Ergebnisse des Fraunhofer IGB und testeten unter anderem im Tiermodell, ob die identifizierten Moleküle eine Auswirkung auf eine erzeugte Pilz-Infektion hatten.

Der Proof-of-Principle ist erreicht

Steffen Rupp sagt: »Inzwischen haben wir den ersten großen Meilenstein erreicht. Wir haben Moleküle gefunden, welche die Immunantwort im menschlichen Blut stark beeinflussen und bei Mäusen eine Pilzinfektion weniger dramatisch ablaufen lassen.«

Wenn diese Art der Therapie nach entsprechenden Entwicklungs- und Genehmigungsverfahren eines Tages auf den Markt kommt, hätten die behandelnden Ärztinnen und Ärzte neben den vorhandenen Therapien eine zusätzliche Waffe im Kampf gegen tückische Infektionen im Krankenhaus.

Die Fraunhofer-Forschenden hoffen, dass der neue Therapieansatz eines Tages nicht nur gegen Pilzinfektionen hilft, sondern auch bei anderen Infektionskrankheiten oder bei Auto-Immunerkrankungen, wie beispielsweise Arthritis oder Schuppenflechte, einsetzbar ist.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2020

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Robotics
Matei Ciocarlie (Columbia University)
Start: 21.09.2020 / Arbeitsaufwand: 80-100 Stunden

Externer Link: www.edx.org