„Au“ killt Apple

74 Millionen Menschen in Indien sprechen Telugu. Fast so viele wie Deutschland Einwohner hat. Nun sind US-Handys in Indien nicht so der Renner, den Markt beherrschen Huawei und Xioame. Aber Apple -User dürften sich ganz besonders freuen:

Dieses Symbol, es entspricht in etwa dem deutschen „au“ oder dem englischen „aw“ killt Apple-Geräte.  Die italienische Seite mobileworld.it berichtete zuerst.

Foto: Kurmanatha Temple – Sreekurmam- Srikakulam -Andhrapradesh, విశ్వనాధ్.బి.కె., Attribution-Share Alike 4.0 International

 

Es betrifft iOS, watchOS und Desktop-Anwendungen.  Also die ganze Familie ist in Gefahr zu freezen, wenn Du das Zeichen in Anwendungen wie whatsapp eingibst.

Wo Computer menschliche Gefühle beachten

Um den Flugverkehr noch sicherer zu machen, wird am Kompetenzzentrum „Virtual Humans“ der TU Chemnitz die Arbeitsweise und emotionale Belastung von Fluglotsinnen und Fluglotsen erforscht

Jeder, der in ein Flugzeug steigt, möchte sicher ans Ziel kommen. Neben den Pilotinnen und Piloten sind dafür etwa 2.000 Fluglotsinnen und Fluglotsen der Deutschen Flugsicherung verantwortlich. Sie koordinieren etwa drei Millionen Flugbewegungen pro Jahr und sorgen dafür, dass Flugzeuge sicher geführt werden und sich nicht zu nahe kommen. Da das Flugaufkommen immer weiter steigt, erhöht sich auch die Belastung der Fluglotsinnen und Fluglotsen, die sich ohnehin schon keinen Fehler leisten dürfen. Forschende des Kompetenzzentrums „Virtual Humans“ der Technischen Universität Chemnitz arbeiten deshalb daran, die Arbeit im Bereich der Flugüberwachung noch sicherer zu machen. Im Projekt „MACeLot“ untersuchen sie die kooperative Arbeit von Fluglotsinnen und -lotsen und deren Belastung am Arbeitsplatz. Mit verschiedenen Messinstrumenten wird die emotionale Belastung, also der Stresslevel, abgeschätzt. „Steht beispielsweise ein Fluglotse zu stark unter Stress, soll das Assistenzsystem eine Warnung an den diensthabenden Supervisor senden“, erläutert Projektleiter Prof. Dr. Guido Brunnett, Sprecher des Kompetenzzentrums „Virtual Humans“. Der Supervisor könne sofort entsprechend eingreifen und den Fluglotsen entlasten – beispielweise über eine Unterstützung durch benachbarte Kontrollsektoren.

Computer lernen, was Stress ist

Foto: Schiphol Control Tower, Danbu14, Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Doch wie kann die kognitive und emotionale Belastung durch ein Computersystem zuverlässig erkannt werden? Die Chemnitzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen dabei interdisziplinär vor: Psychologinnen und Psychologen erforschen die Arbeitsweise der Fluglotsinnen und Fluglotsen. Mit Hilfe einer Blickverfolgungsbrille messen sie deren Pupillengröße und mit einem Armband die Hautleitfähigkeit. Beides sind gute Indikatoren für Stress. Und Informatikerinnen und Informatiker untersuchen die Körperhaltung, den Gesichtsausdruck und die Sprache der Fluglotsinnen und Fluglotsen, um daraus emotionale Zustände abzuleiten. „Wir Menschen haben oft schon Schwierigkeiten, die Stimmung unseres Gegenübers richtig einzuschätzen und greifen auf unsere Erfahrung zurück – und so müssen wir auch die Computer entsprechend trainieren“, sagt Brunnett. Damit der Computer eine zuverlässige Einschätzung trifft, müssen in das Programm viele Beispiele an Körperhaltungen, Gesichtsausdrücken oder Audioaufnahmen eingebracht werden, die mit Emotionen in einem Zusammenhang stehen. „Auf Grundlage sämtlicher erfasster Daten wurde ein Modell zur Berechnung der kognitiven und emotionalen Belastung von Fluglotsen abgeleitet und in ein prototypisches Assistenzsystem integriert“, berichtet Brunnett. Dieses Assistenzsystem zeige dem Supervisor die aktuelle Belastungssituation der Fluglotsen an und liefere ihm dadurch Entscheidungshilfen zur Abwendung von Überlastsituationen.

In Gefahrensituationen die Übersicht behalten

Aus ihrer Forschung haben die Chemnitzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch Vorschläge für ein neues Design der Arbeitsumgebung erarbeitet. So fand die Doktorandin Linda Pfeiffer auf der Basis von Interviews mit Fluglotsinnen und Fluglotsen heraus, welche Darstellung der Elemente auf dem Display im Kontrollzentrum am effektivsten ist. „Ein von uns empfohlenes Interface bietet eine bessere Übersicht in Gefahrensituationen, da es zentrale Informationen hervorhebt“, erläutert Pfeiffer.

Solche Untersuchungen und Verbesserungsvorschläge sind auch für den Projektpartner, die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH, von großem Interesse. „Die Erfassung des Zustandes des Lotsenteams mittels einer geeigneten Sensorik erschließt völlig neue Möglichkeiten, die Arbeitsbelastung zu steuern und zu begrenzen“, sagt Jörg Buxbaum, Leiter des Forschungsteams Air Traffic Management bei der DFS. Neuerungen in den betrieblichen Lotsenalltag einzuführen, sei allerdings sehr anspruchsvoll, da sie strenge Sicherheitstests durchlaufen müssen und in diesem Fall auch Persönlichkeitsrechte zu betrachten sind. Eine Möglichkeit, von den Forschungsergebnissen bald zu profitieren, gibt es dennoch: „Die entwickelten Methoden könnten wir zunächst in Entwicklungen und Trainings am Simulator einsetzen“, sagt Buxbaum und fügt hinzu: „Wir haben deutliche Hinweise, dass wir dadurch die kognitive und emotionale Belastung besser erheben können als zum Beispiel rein mit der Abfrage der Belastung bei den Lotsen selber.“

Stichwort: Kompetenzzentrum „Virtual Humans“

Das Kompetenzzentrum „Virtual Humans“ der Technischen Universität Chemnitz ist seit 2011 Impulsgeber im Forschungsschwerpunkt „Mensch und Technik“ und bündelt die Expertise zu digitalen Menschmodellen an der TU. Am Zentrum arbeiten Forscherinnen und Forscher stark vernetzt an interdisziplinären Themen. „Digitale Menschmodelle, die eine entsprechend hohe Komplexität aufweisen, sind ein zentraler Bestandteil emotionssensitiver Assistenzsysteme“, erläutert Brunnett. Weitere Anwendungsgebiete digitaler Menschmodelle sind zum Beispiel die Mensch-Maschine Interaktion und die Simulation individueller Menschmodelle in der virtuellen Realität. „Auch bei fortschreitender Digitalisierung und Technisierung wird der Mensch ein zentraler Faktor im technischen Fortschritt bleiben. Daher arbeiten wir daran, unsere digitalen Menschmodelle so zu konzipieren, dass sie menschliche Emotionen erkennen können und entsprechend handeln“, erläutert der Leiter des Kompetenzzentrums. Digitale Menschmodelle helfen Maschinen, auf die Gefühle der Menschen Rücksicht zu nehmen. https://www.tu-chemnitz.de/forschung/virtual_humans/

Hintergrund: Die Bundesregierung förderte von 2015 bis 2018 Projekte, die sich einer zentralen Herausforderung von Assistenzsystemen stellen: Technische Systeme müssen sich der Komplexität der menschlichen Kommunikation, die durch emotionale und soziale Botschaften bestimmt sind, annähern. Das Projekt „MACeLot“ ist eines der geförderten Projekte und wurde mit rund 1,7 Millionen Euro unterstützt. Vom 31. Januar bis 2. Februar 2018 stellten die Chemnitzer Forscherinnen und Forscher ihre Projektergebnisse in Bonn der Öffentlichkeit und Vertretern des Bundesministeriums für Bildung und Forschung vor.

Quantenbits per Licht übertragen

Der Quantencomputer rückt näher: Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits (Grundrecheneinheit des Quantencomputers) zu übertragen. Physikern der Princeton University (USA), der Universität Konstanz und des Joint Quantum Institute (Maryland, USA) ist es gelungen, Quantenbits mit dem elektromagnetischen Feld von Licht zu koppeln. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Übertragung von Informationen zwischen Quantenbits, die nicht direkt nebeneinanderliegen, sondern könnte auch ein störungsfreieres Auslesen der hochempfindlichen Quantenzustände ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind im renommierten Wissenschaftsjournal Nature in der Ausgabe vom 14. Februar 2018 veröffentlicht.

Foto: Schemaansicht Kugelkoordinaten, Ichijiku, Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Die Physiker erzeugten zunächst Quantenbits aus Silicium, indem sie einzelne Elektronen separierten und in Siliciumkammern – sogenannten „double quantum dots“ – einschlossen. Der Drehimpuls des Elektrons, der sogenannte Elektronenspin, dient dabei als Speichermedium der Quanteninformation. Mittels eines Magnetfeldes gelang es den Forschern daraufhin, die Quanteninformation des Elektronenspins auf Licht (Photonen) zu übertragen. Licht besteht aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern. Die Forscher koppelten erfolgreich das elektromagnetische Feld des Lichts mit dem Drehimpuls des Elektrons, wodurch das Elektron seine Quanteninformation an das Licht weitergibt.

Quanteninformationen per Licht auf andere Quantenbits übertragen

Dieser Forschungserfolg eröffnet die Möglichkeit, Quanteninformationen per Licht auf andere Quantenbits zu übertragen. Die Kopplung von Quantenbits, die nicht direkt benachbart sind und weiter als nur wenige Nanometer auseinanderliegen, war bis zuletzt eine der großen Herausforderungen der Quantencomputer-Entwicklung.

„Dieses Ergebnis gibt unserer Forschung eine ganz neue Richtung“, schildert Prof. Jason Petta, Ph.D., Professor für Physik an der Princeton University, und zieht einen Vergleich heran: „Wir verlassen damit eine zweidimensionale Landschaft, in der nur direkte Nachbarn zueinander in Kontakt stehen können, und betreten eine Welt, in der jeder mit jedem verbunden ist. Das gibt uns Flexibilität für die Anordnung der Bausteine des Quantencomputers.“

Der theoretische Rahmen des Forschungsprojektes wurde von Konstanzer Seite aus entwickelt, unter Federführung von Prof. Dr. Guido Burkard und Dr. Mónica Benito an der Professur für Theorie der kondensierten Materie und Quanteninformation der Universität Konstanz. „Das Ergebnis eröffnet uns den Weg, das Verfahren nun auch auf komplexere Systeme zu übertragen“, gibt Guido Burkard einen Ausblick und ergänzt: „Eine Stärke unseres siliciumbasierten Ansatzes ist, dass er den Standards der Halbleiterindustrie entspricht.“

Die Forscher nehmen an, dass ihre Methode ein weiteres Problem des Quantencomputers lösen könnte: Quantenbits sind hochempfindlich gegenüber Störquellen von außen, zum Beispiel durch Erschütterungen oder Hitze. Bereits das einfache Auslesen eines Quantenbits kann seinen Quantenzustand zerstören. Der neue Ansatz aus Princeton, Konstanz und Maryland könnte dieses Problem umgehen, da Licht verwendet wird, um die Quanteninformationen auszulesen. Anders als bisherige Ausleseverfahren verändert Licht nur minimal die Position und den Zustand des Elektrons, das die Quanteninformation trägt, und löscht sie dabei nicht.

Neuer Quantenspeicher behält Information über Stunden

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren – das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen Quanten-Sensor über Quanten-Kommunikation bis zum Quanten-Computer. Ein großes Problem dabei ist allerdings, dass es sehr schwierig ist, in einem quantenphysikalischen System Information über lange Zeit zu speichern. Durch Wechselwirkungen mit der Umgebung geht die Quanteninformation oft schon nach Sekundenbruchteilen unwiederbringlich verloren.

An der TU Wien gelang es nun, mit Hilfe spezieller Diamanten, Quanteninformation über Stunden zu konservieren. Damit ist diese Art der Quanteninformation sogar stabiler als die klassische Information, die im Arbeitsspeicher unserer Computer gespeichert ist. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.

Diamanten mit Defekt

Der Mikrowellen-Resonator mit dem Diamanten in der Mitte: Wegen der eingebauten Fehlstellen ist der Diamant schwarz.
TU Wien

Zum Einsatz kam an der TU Wien ein spezielles Quantensystem, an dem mittlerweile auf der ganzen Welt mit großem Interesse geforscht wird: „Wir verwenden winzige Diamanten, die ganz gezielt mit kleinen Defekten versehen wurden“, erklärt Johannes Majer, Forschungsgruppenleiter am Atominstitut der TU Wien. Normalerweise besteht ein Diamant nur aus Kohlenstoffatomen. Durch Bestrahlung des Diamanten kann man aber erreichen, dass an bestimmten Stellen statt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom in die Diamantstruktur eingebaut wird, und daneben bleibt dann eine Stelle im Kristallgitter unbesetzt. Solche „Gitterfehler“ bezeichnet man als NV-Zentren (N für Stickstoff und V für die vakante Gitterstelle). Das Stickstoffatom und die Fehlstelle können unterschiedliche Zustände annehmen, somit kann man diese Gitterfehler-Stelle verwenden um ein Quantenbit an Information abzuspeichern.

Die entscheidende Frage ist, wie lange diese Information stabil bleibt: „Die Zeit, in der ein Quantenbit typischerweise seine Energie und somit auch die gespeicherte Information verliert, ist eine der technologisch wichtigsten Eigenschaften eines solchen Quantenbits“, erklärt Thomas Astner, der Erstautor der Publikation. „Es ist daher von besonderer Bedeutung, die Ursache für den Energieverlust und die Geschwindigkeit dieses Prozesses genau zu verstehen.“

Am Atominstitut der TU Wien gelang es nun zum ersten Mal, die charakteristische Zeit, in der die Diamant-Defekte ihre Quanteninformation verlieren, experimentell zu bestimmen. Die Diamanten wurden an Mikrowellen angekoppelt, so kann Quanteninformation eingeschrieben und wieder ausgelesen werden. Den speziellen Mikrowellen-Resonator dafür hatte Andreas Angerer an der TU Wien im Jahr 2016 entwickelt. Mit ihm kann man hochpräzise feststellen, wie viel Energie noch in dem Diamant gespeichert ist.

Rekordzeiten

Die Messungen wurden bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt – knapp über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt, bei 20 Millikelvin. Bei höheren Temperaturen würde die Wärme der Umgebung das System stören und die Quanteninformation löschen. Dabei zeigte sich, dass die Diamanten ihre Information viel länger speichern können, als man das für möglich gehalten hatte – nämlich über mehrere Stunden. „Die Information im D-RAM Chip eines gewöhnlichen Computerspeichers ist viel instabiler. Dort geht die Energie innerhalb von einigen hundert Millisekunden verloren, danach muss die Information neu aufgefrischt werden“, sagt Johannes Majer.

Nicht alle Diamanten mit Defekten weisen genau dieselbe Speicherzeit auf: Rekordhalter ist ein spezieller Diamant, der vom Team um Junichi Isoya an der Tsukuba Universität in Japan hergestellt wurde. Über mehrere Monate wurde er mit Elektronen bestrahlt, um möglichst viele NV-Defekte zu erzeugen ohne dabei andere störende Effekte hervorzurufen. In diesem Diamanten konnte eine Quanten-Speicherzeit von 8 Stunden gemessen werden.

„Diese wunderbaren Ergebnisse waren für uns anfangs kaum zu glauben“, sagt Johannes Majer. Man ging dem Phänomen daher durch Computersimulationen auf den Grund: Johannes Gugler und Prof. Peter Mohn (ebenfalls TU Wien) führten aufwändige Berechnungen durch und konnten erklären, dass die außerordentliche Stabilität der Diamant-Quantenspeicher auf das besonders steife Diamantgitter zurückzuführen ist. „Während in anderen Materialien Gitterschwingungen relativ rasch dazu führen könnten, dass die gespeicherte Information verloren geht, ist die Kopplung der Quanteninformation an die Gitterschwingungen im Diamanten recht gering, und die Energie kann über Stunden gespeichert werden“, sagt Thomas Astner.

Software für das Internet der Dinge

EU-Projekt soll unsere Mobilität erleichtern, Häuser intelligenter und Fabriken produktiver machen: das Internet der Dinge, kurz IoT (Internet of Things). Noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen. In dem kürzlich gestarteten EU-Projekt ENACT erforscht das Software-Technik-Institut paluno der Universität Duisburg-Essen (UDE) Entwicklungsansätze für neuartige IoT-Systeme.

Aktuelle Anwendungen wie das Fitnesstracking per Smartwatch konzentrieren sich darauf, Daten in der Cloud zu bündeln. Sie schöpfen allerdings die Möglichkeiten des Internet der Dinge bei Weitem nicht aus. Die Systeme der nächsten Generation werden kooperieren und aktiv auf ihre Umgebung einwirken. So zum Beispiel in Smart Buildings: Haus- und Medizintechnik werden gemeinsam für Komfort und Sicherheit sorgen – vollkommen autonom, indem sie u.a. das Verhalten der Bewohner beobachten.

Solche vernetzten IoT-Systeme zu entwerfen, ist herausfordernd. Wir kennen das, auch refixo bastelt an IoT-Lösungen, z.B. für unsere PoS- Software refixo Repaircloud. Sie sind sehr unterschiedlich und müssen sich laufend abstimmen. Zum Zeitpunkt ihrer Entwicklung ist aber nicht bekannt und auch nicht absehbar, wann welche Systeme wie miteinander kommunizieren werden. „Wenn mehrere IoT-Systeme dieselbe Umgebungsgröße beeinflussen, etwa die Raumtemperatur, oder wenn sie dieselbe Ressource verbrauchen, beispielsweise Treibstoff oder Rechenzeit, müssen sie potenzielle Konflikte erkennen und diese möglichst automatisch auflösen“, erläutert Dr. Andreas Metzger, der bei paluno die Arbeiten im ENACT-Projekt koordiniert. „Wir brauchen daher neue Entwicklungswerkzeuge für Systeme, die sich schnell an wechselnde Situationen anpassen können.“

Die 11 Projektpartner setzen hier auf einen in der Softwareentwicklung bewährten Ansatz (DevOps). Allerdings lässt der sich nicht so einfach auf IoT-Systeme übertragen, weil diese u.a. besondere Anforderungen an die Datensicherheit und den Schutz der Privatsphäre stellen. Geeignete DevOps-Werkzeuge zu entwickeln, ist daher das Ziel. Das UDE-Team von Prof. Dr. Klaus Pohl erforscht Lösungen, damit sich IoT-Systeme mit Hilfe künstlicher Intelligenz automatisch an dynamische Betriebssituationen anpassen.

Die Europäische Union fördert ENACT in den kommenden drei Jahren über das Horizon 2020-Programm. Von den fünf Millionen Euro Förderung erhält die UDE 420.000 Euro.

Weltweit erstes schaltbares Quanten-Metamaterial untersucht

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Quantencomputer können eine große Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig ausführen. Damit versprechen sie komplexe Probleme viel schneller zu lösen als heutige Computer. Hochschulen und Unternehmen wie Google oder IBM forschen an den physikalischen Grundlagen zur Realisierung eines solchen Computers. Wissenschaftler aus Jena, Karlsruhe und Moskau sind der Zukunftsvision der Quanteninformatik ein Stück nähergekommen. Ihnen ist es gelungen das weltweit erste Quanten-Metamaterial zu realisieren, dessen Lichtdurchlässigkeit bei Temperaturen von -273°C genau steuerbar ist. Das Material könnte als Kontrollelement in Schaltungen bei der Quantensignalverarbeitung zur Anwendung kommen.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des Quanten-Metamaterials. Es besteht aus 15 Zwillings-Qubits, eingebettet in einen koplanaren Wellenleiter (unten). Ein Qubit mit 5 Josephson-Kontakten (oben).
Quelle: NUST MISIS

Das Team aus Forschern vom Jenaer Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der National University of Science and Technology (NUST MISIS) in Moskau stellte erstmals ein Quanten-Metamaterial her, das auf besondere Weise mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich wechselwirkt. Das Metamaterial besteht aus einer linearen Anordnung von 15 Meta-Atomen, den Quantenbits (Qubits): Schleifen von wenigen Mikrometern Durchmesser aus Aluminium, die bei ihrer Arbeitstemperatur von etwa -273°C elektrischen Strom supraleitend und damit verlustfrei transportieren. An einigen Stellen sind die Aluminiumringe durch wenige Nanometer dünne Tunnelstrukturen, die Josephson-Kontakte, unterbrochen. So entstehen supraleitende Schwingkreise, in denen Strom nur in zwei definierten Zuständen fließt.

Mit Magnetfeld schaltbare Eigenschaften:

Die Forscher konstruierten nun erstmals ein Metamaterial aus sogenannten Zwillings-Qubits, die aus zwei miteinander verbundenen Schleifen bestehen und damit statt drei, fünf Josephson-Kontakte besitzen. Entstanden sind die Strukturen im Reinraum des Leibniz-IPHT. „Wir haben untersucht wie sich die Zwillings-Qubits verhalten, wenn wir sie mittels eines Magnetfeldes in zwei verschiedene Zustände bringen. Dabei zeigt das Metamaterial eine für uns unerwartete Eigenschaft. Über das Magnetfeld können wir seine Durchlässigkeit für Strahlung im Mikrowellenspektrum genau steuern. Dass man die Transparenz dieser speziellen Quanten-Metamaterialien über die Konfiguration des Grundzustandes der Qubits ein- bzw. ausschalten kann, hat uns überrascht. Das war bislang völlig unbekannt,“ beschreibt der Leibniz-IPHT-Wissenschaftler Prof. Evgeni Il’ichev die Entdeckung. Die Forschungsergebnisse, die unter Leitung von Prof. Alexey Ustinov (NUST MISIS) entstanden, publizierten die Wissenschaftler im hochrangigen Fachblatt Nature Communications.

Qubits – Ein System in zwei Zuständen gleichzeitig:

Im Unterschied zu den Einheiten (Bits) eines klassischen Rechners nehmen die Qubits nicht nur die Zustände 0 und 1 an. Sie gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik und befinden sich in einem überlagerten Zustand, der gleichzeitig 0 und 1 ist. Im Fall supraleitender Qubit-Schaltkreise fließt der magnetfeldinduzierte Strom zugleich links (0) und rechts herum (1). Allerdings existieren die Überlagerungszustände nur so lange bis sie gemessen werden – in diesem Moment nimmt das System entweder den Wert 0 oder 1 an. Durch die Überlagerungszustände können Quantencomputer eine große Zahl an Rechenoperationen parallel verarbeiten, während heutige Rechner diese nacheinander ausführen. Die Anzahl der Operationen steigt exponentiell mit der Anzahl der eingesetzten Qubits. Die Firma IBM bietet online-Zugriff auf einen Supraleiter-basierten Quantencomputer mit 20 Qubits.

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien:

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) erforscht die wissenschaftlichen Grundlagen für photonische Verfahren und Systeme höchster Sensitivität, Effizienz und Auflösung. Gemäß dem Motto „Photonics for Life – from ideas to instruments“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT maßgeschneiderte Lösungen für Fragestellungen aus den Bereichen Lebens- und Umweltwissenschaften sowie Medizin.

Vom winzigen Kristall zum Mikrochip der Zukunft

Forscher des Instituts für Experimentelle Physik (IEP) der TU Bergakademie Freiberg haben einen neuartigen Ansatz zur Strukturbestimmung von Kristallen erarbeitet und können so winzige Atome mit höchster Präzision lokalisieren. Dies ist gerade für die Materialforschung in der Halbleiterindustrie sowie in der Daten- und elektrochemischen Energiespeicherung von großer Bedeutung. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Resonante Röntgenbeugungsmethoden. Mit Hilfe der Beugungsseigenschaften des Röntgenlichts können die Freiberger Forscher die Atom-Position mit bisher nicht erreichter Genauigkeit bestimmen.

Die Europäische Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. © P. Ginter/ESRF
Ihren Ansatz haben die Forscher unter anderem an den Synchrotronen des Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und der Europäischen Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble getestet. „Dort konnten wir Messungen weit unter einem Pikometer durchführen. Eine Milliarde Pikometer entsprechen dabei gerade mal einem Milimeter. Damit ermöglicht unser Verfahren eine hochpräzise Analyse der Kristallstruktur“, erklärt Dr. Matthias Zschornak, der die Synchrotronaktivitäten des IEP an der TU Bergakademie Freiberg unter Leitung von Prof. Dirk C. Meyer koordiniert.

Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen durch starke Magneten auf Kreisbahnen gehalten werden und durch die Ablenkung intensive Röntgenstrahlung aussenden. Es bietet insbesondere eine über einen weiten Spektralbereich präzise einstellbare Strahlungsenergie. In den letzten 30 Jahren wurden weltweit Milliarden in die Entwicklung und den Bau dieser Teilchenbeschleuniger investiert, um in neue Dimensionen der Orts- und Zeitauflösung vorzudringen. Diesem Ziel sind die Forscher nun mit ihrer Arbeit einen weiteren bedeutenden Schritt nährgekommen. Der innovative Ansatz wurde am 12. Januar 2018 in einer der wichtigsten Wissenschaftszeitschriften – der „Nature Communications“ – vorgestellt.

Zur Weiterentwicklung der Methode wurde am IEP im zurückliegenden Jahr das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt REXSuppress gestartet. Neben chemischer Kristallographie stehen vor allem Schwerpunkte der Material- sowie der Geo-, Bio- und Umweltwissenschaften im Fokus der geplanten Forschung. Im derzeit im Bau befindlichen Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung untersuchen Freiberger Physiker künftig auch, wie sich die Strukturen unter hohem Druck und extremen Temperaturen verändern.

Quantenbits mit Laserpulsen bei extrem tiefen Temperaturen kontrollieren

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Die präzise Kontrolle ihrer Recheneinheiten, der Quantenbits (Qubits), ist außerordentlich herausfordernd, da diese in der Regel sehr kurzlebig sind. Dies gilt insbesondere für Quantenbits, welche in Festkörpern eingebettet sind. Physiker der Saar-Uni haben nun eine neue Methode entwickelt, um solche Qubits in Diamant zu kontrollieren und somit länger für Rechenoperationen nutzbar zu machen. Dafür müssen sie die Quantenbits nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt herunterkühlen.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Physical Review Letters publiziert (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.053603).

Jonas Becker, Erstautor der Studie, mit der experimentellen Apparatur zur Kühlung der Quantenbits.
Foto: AG Becher, Saar-Uni.

Es erinnert an den Versuch, mit einem großen Tapetenpinsel und in Boxerhandschuhen die hauchfeinen Konturen der Mona Lisa zu restaurieren: Geht ein Pinselstrich nur ein wenig daneben, ist das Werk ruiniert. Was die Quantenphysiker mit Quantenkontrolle bezeichnen, ist ähnlich kompliziert wie diese – fiktive – kunsthistorische Jahrtausendaufgabe es wäre. Denn den Zustand eines Quantenbits (Qubit), der Recheneinheit eines Quantencomputers, ist extrem flüchtig und labil, so dass es höchst präziser Kunstgriffe bedarf, um diesen nützlichen Zustand möglichst lange zu erhalten.

Physiker der Universität des Saarlandes um die Professoren Christoph Becher und Pavel Bushev haben diesen Überlagerungszustand, in dem sich zum Beispiel ein Atom in zwei Zuständen gleichzeitig befindet, in Kooperation mit Kollegen aus Cambridge bei extrem tiefen Temperaturen von nur vierzig tausendstel Kelvin (vierzig tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt) untersucht und mithilfe von Laserpulsen gezielt kontrolliert. Das Quantenbit ist in ihrem Fall ein so genanntes Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum, ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines künstlichen Diamanten, der aus Kohlenstoff besteht. Statt zweier Kohlenstoffatome befinden sich hier zwei Fehlstellen im Gitter, die ein Silizium-Atom in der Mitte einschließen. Die unterschiedlichen Zustände des Defekts können für die Quanteninformationsverarbeitung, also zum Beispiel zum Rechnen, genutzt werden.

Die Physiker mussten dabei aber ein Problem umgehen: Je höher die Temperatur ist, desto stärker werden die Atome des Gitters in Schwingung versetzt, da sie die Energie aus der Umgebung aufnehmen. Je wärmer es also ist, desto stärker ist dieser Effekt. Dabei reichen schon wenige Grad über dem Nullpunkt aus, um die Schwingungen so stark werden zu lassen, dass der angestrebte Überlagerungszustand verloren geht. Mit dem Herunterkühlen des künstlichen Diamanten auf wenige Tausendstel Grad über dem Nullpunkt geraten auch diese störenden Einflüsse in den Hintergrund, da bei solch tiefen Temperaturen die Kristallschwingungen praktisch vollständig ausgefroren sind. Die große Herausforderung hierbei besteht zum einen darin, die einzelnen Qubits mit dem Laser in einem stabilen Quantenzustand zu erzeugen und dort zu halten. Zum anderen darf natürlich nicht zu viel Wärme an den Diamant abgegeben werden, um die tiefen Temperaturen zu erhalten.

Neu, hochauflösend: konfokales Mikroskop

Zu diesem Zweck entwickelte das Team um Doktorand Jonas Becker, der nach seiner Promotion inzwischen an der Universität Oxford forscht, ein neues, hochauflösendes konfokales Mikroskop, welches die Quantenbits präzise darstellen kann und Kontrolle dieser Qubits bei Millikelvin-Temperaturen mittels Laserpulsen ermöglicht. Gegenüber anderen gängigen Kontrolltechniken, etwa mit Mikrowellen, bietet dieses Verfahren den großen Vorteil, dass der Wärmeeintrag durch einen gezielt fokussierten Laser ausschließlich direkt am Qubit erfolgt und zudem sehr gering ist, da bereits wenige Nanowatt an Laserleistung für eine vollständige Kontrolle ausreichend sind. Wie die Forscher im weiteren Verlauf der Experimente herausfinden konnten, verlängern sich die Kohärenzzeiten, in denen das Qubit stabil im Überlagerungszustand existiert, allerdings nur ein wenig.

Neben diesem unerwarteten Resultat – die Physiker hatten eigentlich mit einer deutlichen Verlängerung des Kohärenzzustandes gerechnet –

Die verwendete Kühlapparatur mit konfokalem Mikroskop.
Foto: AG Becher, Saar-Uni.

gewannen sie aber andere wertvolle Erkenntnisse. Sie konnten die Interaktion der Qubits mit ihrer Umgebung detailliert untersuchen und einen weiteren limitierenden Prozess finden, der die Quantenkontrolle stört. Denn in dem künstlich hergestellten Diamanten gibt es neben den „gewollten“ Verunreinigungen, den Silizium-Fehlstellen-Zentrum, an manchen Stellen auch unerwünschte Verunreinigungen, die bei der Herstellung des Diamanten entstehen. Pro einer Million Atome sind das nur 13 „ungewollte“ Verunreinigungen mit Stickstoff-Atomen. Aber schon diese geringe Anzahl an „falschen“ Atomen im Kristallgitter stört mit ihrem Magnetfeld den Überlagerungszustand der gewollten Silizium-Fehlstellen-Zentren. Dieser Effekt wäre den Forschern gar nicht aufgefallen, wenn sie das Experiment nicht so nahe am absoluten Nullpunkt gemacht hätten. Die Störung durch die bereits erwähnte Schwingung, die durch Wärmeeintrag ausgelöst wird, überlagert die Störung durch die Verunreinigungen deutlich.

Dieses Wissen kann nun dazu genutzt werden, neue, noch reinere Proben zu entwickeln, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Zudem kann die entwickelte Mikroskopietechnik nun dazu genutzt werden, auch andere Kandidaten für Festkörper-Quantenbits bei Millikelvin-Temperaturen mithilfe von optischen Methoden detailliert zu untersuchen.

Praktikable Photonenquelle für die Quantenkommunikation

Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen der TU Berlin ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, eine praktikable und anwendungsnahe Quelle einzelner Lichtquanten zu bauen

Die Nutzung von einzelnen Lichtquanten als Informationsträger in der Quantenkommunikation und Quantencomputertechnologie wird weltweit erforscht. Dabei soll ein einzelnes Lichtquant (Photon) als Informationsträger dienen. Eines der bisherigen Probleme: Die Technologie ist sensibel, da sie in der Regel fast ausschließlich im Vakuum und bei sehr niedrigen Temperaturen – nahe dem absoluten Nullpunkt – funktioniert, was bisher aufwändige Laborapparaturen voraussetzte und damit die Nutzung dieser Technologie stark einschränkte.

Plug & Play-Quelle

In der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Stephan Reitzenstein am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin ist es jetzt gelungen, eine Plug & Play-Quelle von Lichtquanten zu bauen.

„Das System beruht auf einem sogenannten künstlichen Atom, also einem Quantenpunkt, auf einem Halbleiterchip. Genau über diesem Quantenpunkt können wir in einer von uns entwickelten einzigartigen Technik eine Mikrolinse anbringen. Diese Linse sammelt die von dem Quantenpunkt ausgesandten Photonen effizient ein, sodass wir später eine hohe Datenübertragungsrate in der Quantenkommunikation realisieren können“, erklärt Dr. Tobias Heindel, Mitarbeiter von Prof. Reitzenstein.

Zur Nanostrukturierung des Halbleiterchips wurde eine in der AG Reitzenstein entwickelte revolutionäre Technik eingesetzt, mit der eine Mikrolinse exakt über einem ausgewählten Quantenpunkt platziert wird – mit diesem Verfahren gelangen der Gruppe in den letzten Jahren bereits zahlreiche wissenschaftliche Erfolge.

Um eine Quanten- oder Photonenquelle jedoch auch in der Quantenkommunikation außerhalb der Labors in der Praxis nutzen zu können, müssen die Photonen zusätzlich effizient in ein optisches Glasfaserkabel übertragen (gekoppelt) werden. Genau solche Fasern bilden bereits heute die Grundlage für die weltweite Datenübertragung im Internet und sollen in Zukunft auch das Quanten-Internet ermöglichen.

Der Clou der neuen Arbeiten

Es ist gelungen, eine optische Glasfaser exakt über dem Quantenpunkt zu positionieren und zu fixieren, wodurch die abgestrahlten Photonen direkt aufgefangen und über große Distanzen weitergeleitet werden können. „Entscheidend dabei ist, dass wir die Oberfläche des Halbleiters, auf der unserer Quantenpunkt sitzt, optisch ‚scannen’ und das Glasfaserkabel dann in einem relativ robusten Prozess bei Raumtemperatur exakt über der Mikrolinse mit Epoxidharz fixieren“, so Tobias Heindel.

Das ganze System aus Halbleiterchip mit Quantenpunkt, Mikrolinse und exakt ausgerichteter und fixierter Glasfaser wird dann in einen sogenannten Stirling-Kühler eingebaut. Bei dem Stirling-Kühler handelt es sich um eine kommerziell verfügbare Apparatur, die dazu dient, den Halbleiterchip auf die benötigten tiefen Temperaturen, nur wenige zehn Kelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunktes, herunter zu kühlen.

Der große Vorteil dieser Anordnung: Die gesamte sogenannte Q-Source (Quanten-Quelle) inklusive Stirling-Kühler findet in einer durchschnittlichen Schreibtischschublade Platz und benötigt lediglich einen 220V-Netzanschluss.

Zum Vergleich: Typische Quantenlichtquellen der Forscher nehmen meist ein ganzes Labor mit aufwändiger und teurer Helium-Kühltechnik in Anspruch. Das Glasfaserkabel ermöglicht den Transport der Quanten auch über große Distanzen. „Damit bieten sich ganz neue Möglichkeiten für den Einsatz in der Quantenkommunikation“, weiß Tobias Heindel. So könnte die hier entwickelte Q-Source in Zukunft fester Bestandteil abhörsicherer Kommunikationskanäle im Quanten-Internet werden

Drohnen lernen von Autos und Velos das autonome Navigieren

Der von UZH-Forschenden entwickelte Algorithmus DroNet ermöglicht Drohnen, völlig selbstständig entlang der Strassen einer Stadt und in Gebäuden zu fliegen. Dazu musste der Algorithmus Verkehrsregeln und Fahrbeispiele von Rad- und Autofahrern lernen.

Für die Navigation nutzen kommerzielle Drohnen GPS, was in grosser Höhe gut funktioniert. Doch was passiert, wenn die Drohnen selbstständig zwischen Gebäuden oder im dichten Strassennetz fliegen müssen, wo Radfahrer und Fussgänger plötzlich ihren Weg kreuzen können? Bisher waren kommerzielle Drohnen nicht in der Lage, schnell auf solche unvorhergesehenen Ereignisse zu reagieren.

DroNet erkennt statische und dynamische Hindernisse

Forschende der Universität Zürich und des nationalen Forschungskompetenzzentrums NCCR Robotics haben nun den Algorithmus DroNet entwickelt, der Drohnen sicher durch die Strassen einer Stadt lenken kann. Dieser wurde als schnelles Residualnetzwerk mit acht Ebenen aufgebaut und erzeugt für jedes Eingangsbild zwei Outputs: einen für die Navigation, um Hindernisse zu umfliegen, und einen für die Kollisionswahrscheinlichkeit, um gefährliche Situationen zu erkennen und darauf reagieren zu können. «DroNet erkennt statische sowie dynamische Hindernisse und reduziert das Tempo, um Zusammenstösse zu vermeiden. Mit diesem Algorithmus sind wir dem Ziel einen Schritt nähergekommen, selbstständig navigierende Drohnen in unseren Alltag zu integrieren», erklärt Davide Scaramuzza, Professor für Robotik und Wahrnehmung der Univer-sität Zürich.

Leistungsstarker Algorithmus für künstliche Intelligenz

Anstatt sich auf komplizierte Sensoren zu verlassen, nutzt die Drohne der Schweizer Forscher eine normale Kamera wie die eines Smartphones und einen sehr leistungsstarken Algorithmus für künstliche Intelligenz, um die beobachteten Situationen auszuwerten. Dieser Algorithmus besteht aus einem sogenannten «Deep Neural Network». «Dieser Computeralgorithmus lernt, komplexe Aufgaben anhand von zahlreichen Trainingsbeispielen zu lösen. Er zeigt der Drohne, wie sie bestimmte Aufgaben und schwierige Situationen löst. Das ist ähnlich wie bei Kindern, die von ihren Eltern oder Lehrern lernen», erklärt Prof. Scaramuzza.

Autos und Fahrräder sind die Lehrer der Drohnen

Eine der grössten Herausforderungen des «Deep Learning» ist es, mehrere tausend solcher Trainingsbeispiele zu sammeln. Um ausreichend Daten zu erfassen, haben Prof. Scaramuzza Fahrten von Autos und Fahrrädern gesammelt, die in städtische Umgebungen navigierten und die Verkehrsregeln respektierten. Durch Imitieren hat die Drohne automatisch gelernt, diese Regeln einzuhalten, wie zum Beispiel «Wie folge ich der Strasse, ohne in den Gegenverkehr zu geraten» oder «Wie halte ich an, wenn Hindernisse wie Fussgänger, Baustellen oder andere Fahrzeuge meinen Weg blockieren». Die Forscher konnten zudem zeigen, dass ihre Drohne nicht nur durch Strassen navigieren konnte, sondern sich auch in komplett ande-ren Umgebungen zurechtfand, für die sie nie trainiert wurde – so etwa in Gebäuden wie Parkhäusern oder Bürofluren.

In Richtung vollautonomer Drohnen

Die Studie zeigt ein Potenzial von Drohneneinsätzen für Überwachungsaufgaben oder Paketlieferungen in belebter Umgebung sowie für Rettungseinsätze bei städtischen Katastrophen auf. Das Forschungsteam warnt jedoch von übertriebenen Erwartung, was leichte, günstige Drohnen können. «Es müssen noch viele technologische Probleme gelöst werden, bevor die ehrgeizigsten Anwendungen Realität werden können», erklärt Doktorand Antonio Loquercio.