Fortschritte im Unsichtbaren Die TU Wien informiert über die aktuelle Forschung in Sachen Quantenphysik & Co.

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Die TU Wien erweitert mit einem Forschungsteam aus China die Grenzen des Quantencomputers, um statt 0 und 1 gleich vier Zustände gleichzeitig zu nutzen. Auch hat man einen Quantenschalter durch Ionenbeschuss von Elektronen entdeckt. Und dann erfährt man, warum in „Stein“ gemeißelte QR-Codes Rekorde feiern.

Zum Thema 1: Eine neue Art von Quanten-Computing wird möglich! Und zwar durch eine Zusammenarbeit der TU Wien mit Forschungsgruppen aus China. Denn mit einem neuartigen Quanten-Gate (Gatter) gelang es jetzt, logische Rechenoperationen mit Photonen durchzuführen, die sich in einer Kombination aus vier verschiedenen Zuständen befinden. Das, so wird betont, ist ein wichtiger Meilenstein für optische Quantencomputer, der ganz neue Chancen eröffnet. Die Arbeit wurde nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert. Die Grundidee eines Quantencomputers ist eigentlich einfach, heißt es: Während ein klassischer Computer nur mit den Zuständen 0 und 1 arbeiten kann, erlaubt die Quantenphysik auch eine beliebige Kombination dieser Zustände.

Ein Quantenbit (Qubit) kann sich also in den Zuständen 0 und 1 zugleich befinden. So werden Algorithmen möglich, die manche Aufgaben viel schneller lösen können als ein klassischer Computer, wie die Forscher erklären. Doch prinzipiell lassen sich solche Zustandsüberlagerungen auch aus mehr als zwei Komponenten herstellen. Ein Quantenteilchen kann sich ja nicht nur in zwei Zuständen, sondern in vielen Zuständen gleichzeitig befinden. Dann spricht man nicht mehr von einem Qubit, sondern von einem Qudit. Das bringt für Quantenberechnungen entscheidende Vorteile. Es gelang nun, ein Schema für die Verarbeitung komplizierterer Quantenzustände zu entwickeln. Und die Kollegen aus China schafften es, dieses Schema experimentell umzusetzen. So entstand das neuartige Quanten-Gate, mit, wie betont wird, revolutionären Einsatzmöglichkeiten.

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Die Quantenphysik geht in die vierte Dimension

Denn bisher wurde bei Quantenexperimenten mit Photonen normalerweise die Polarisation der Photonen – also von Lichtquanten – gemessen, eine Eigenschaft, die zwei verschiedene Messergebnisse liefern kann. Quantenphysikalisch gesehen, kann sich das Photon aber auch in einer Kombination dieser beiden Zustände befinden – ähnlich wie man sich gleichzeitig nach Norden und nach Osten bewegen kann, wenn man in nordöstliche Richtung geht, veranschaulichen die Wiener. „Wir verwenden Photonen aber nun auf grundlegend andere Weise“, so Nicolai Friis vom Atominstitut der TU Wien. Statt für die Polarisation blickt man nämlich auf die Wellenform des Photons.

Sie könne theoretisch unendlich viele verschiedene Zustände annehmen, die unterschiedlichen Drehimpulswerten entsprechen. Das Team um Friis entwickelte schließlich ein Verfahren, das mit zwei solcher Photonen funktioniert. Beide Teilchen können also in Kombinationen vieler verschiedener Wellenformen vorliegen. Durch ausgeklügelte Manipulation kann man beide Photonen aber in einen gemeinsamen Zustand versetzen – das nennt man bekanntlich Quantenverschränkung. Oder man kann einen solchen verschränkten Zustand gezielt wieder in zwei voneinander unabhängige Zustände zerlegen. Das ist es, womit ein Quantencomputer schließlich rechnen kann. Man hat sich entschlossen, mit vier Zuständen zu arbeiten. Friis bleibt beim Richtungsbeispiel: „Man bewegt sich gewissermaßen in einem 4-dimensionalen Raum und kann mit beliebigen Kombinationen dieser vier Zustände arbeiten.“

Man kann genau feststellen, ob alles nach Plan geklappt hat

Um das zu ermöglichen, war nicht nur ein neues theoretisches Protokoll nötig! Denn auch die Verbesserung von Technik und experimenteller Präzision musste erreicht werden, wie Friis weiter ausführt. Nun, das Team um Hui-Tian Wang in China konnte in diesem Bereich große Erfolge einfahren. „Es ist nicht weniger als erstmals gelungen, ein logisches Quanten-Gatter herzustellen, das mit zwei Photonen arbeitet, die sich jeweils in einer Kombination von vier verschiedenen Zuständen befinden“, freut sich Friis. Die Experten können also die beiden Photonen verschränken.

Und es handelt sich auch noch um ein heraldiertes Protokoll! Das, erklärt Friis, bedeutet, dass man nach der Quantenoperation genau feststellen kann, ob alles funktioniert hat oder nicht. Wenn nicht, könne man die Operation einfach wiederholen. Das sei genau das, was man für Quantenoperationen in der Praxis brauche. Der neue Ansatz soll Quanteninformationstechnik in vielen Bereichen besser, leistungsfähiger und stabiler machen. Der Vorteil: Man braucht weniger Teilchen, um dieselbe Menge an Quanteninformation zu speichern! Prof. Marcus Huber, ebenfalls Atominstitut der TU Wien, ergänzt: „Das hat große Vorteile im Hinblick auf die Verlässlichkeit der Quantenoperationen! Die neue Arbeit erschließt der Quantentechnologie also – ganz buchstäblich – neue Dimensionen.“

Thema 2: Verblüffender Beschuss von Elektronen mit Ionen

Wenn man eine Münze wirft, versetzt man sie in einen Zustand höherer Energie, bis sie wieder herunterfällt, heißt es. Dann kann sie zwei verschiedene Zustände annehmen – bekanntlich Kopf oder Zahl. Egal in welchem Zustand die Münze vorher war, nach dem Wurf sind beide Varianten gleich wahrscheinlich, sofern die Münze nicht unwuchtig sondern ideal geformt ist. Soviel zum Vorspiel! Ein Team der TU Wien hat nun ein Quantensystem analysiert, bei dem es ebenfalls zwei gleichberechtigte Grundzustände gibt: Wenn man dem Energie zuführt, indem man es mit Ionen beschießt, kann man diesen Zustand ändern.

Erstaunlicherweise verhält sich dieses System aber ganz anders als die Münze, denn es wird jedes Mal umgeschaltet. Es endet nach dem Ionenbeschuss zuverlässig im entgegengesetzten Zustand. Für das Experiment wurde das Equipment der TU Wien ans DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg transportiert. Die untersuchten Kristalle stammen von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die ebenfalls an den Experimenten am DESY beteiligt war.

Zwei mögliche Oberflächenkonfigurationen gibt es

„Wir untersuchen ein ganz besonderes Material, nämlich Tantaldisulfid, das Quantenmaterial 1T-TaS2“, lässt Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien wissen. Die Teilchen in diesem Material verhalten sich nämlich ganz anders als man das von Objekten aus dem Alltag gewohnt sind, wie es dazu heißt. Denn die Tantaldisulfid-Elektronen sind miteinander stark korreliert. Das bedeutet, dass man sie nicht unabhängig voneinander betrachten kann. Wilhelm: „Wenn wir Ionen auf dieses Material schießen, dann interagieren diese Ionen nicht einfach nur mit einem Elektron, das sie dort treffen, sie wechselwirken gewissermaßen mit dem gesamten Elektronen-Kollektiv auf einmal.“

Interessant an Tantaldisulfid sei auch, dass sich die Elektronen auf zwei verschiedene Arten anordnen könnten. Genau wie die Münze, die mit der Kopf- oder der Zahlseite nach oben auf dem Tisch liegen kann, haben beide dieser Varianten dieselbe Energie. „Die Elektronen erzeugen an der Oberfläche des Materials ein sechseckiges Sternmuster“, führt Anna Niggas, die Erstautorin der neuen Arbeit, weiter aus. Dieses Elektronen-Muster kann aber in zwei verschiedene Richtungen gedreht sein, ähnlich wie ein Drehschalter, den man zwischen zwei Positionen hin- und herschalten kann.

Ionenbeschuss bringt eigentlich alles durcheinander

Die Forschungsgruppe an der TU Wien untersucht auch schon seit vielen Jahren, wie sich Materialien unter Beschuss mit energiereichen Ionen verhalten. Um zu sehen, was speziell mit Tantaldisulfid in dieser Situation passiert, transportierte man die Ionen-Anlagen der TU Wien, wie oben schon erwähnt, ans DESY nach Hamburg – eine Großforschungsanlage, die extrem intensive Strahlung erzeugen kann, mit der sich die Elektronen des Materials untersuchen lassen. „Wenn unsere schnellen, hochgeladenen Ionen auf der Tantaldisulfid-Oberfläche einschlagen, dann wird das Elektronen-System massiv aus dem Gleichgewicht gebracht“, so Wilhelm. Doch manche Elektronen werden herausgeschlagen, andere gehen in höhere Energiezustände über. Auch Elektronen, die weiter im Materialinneren sitzen, werden massiv beeinflusst, heißt es.

Nach dieser turbulenten Phase kehrt das System wieder in einen der beiden möglichen Grundzustände mit niedriger Energie zurück. Nun könnte man meinen, dass die Wahrscheinlichkeit für die beiden möglichen Zustände jeweils 50 Prozent ist – genau wie bei einer geworfenen Münze. Aber erstaunlicherweise ist das nicht so! Der Ionenbeschuss schaltet in Wirklichkeit den Zustand des Materials um. Die Tantaldisulfid-Oberfläche befindet sich danach jeweils im anderen Zustand als vorher. Diese überraschende Eigenschaft habe mit den komplexen Quanten-Korrelationen der Elektronen zu tun. In der turbulenten Zwischenphase, direkt nach dem Ioneneinschlag, beginnt sich zunächst an der Materialoberfläche punktuell eine neue Ordnung zu formieren. Die Kopplung zwischen den Elektronen der Oberfläche und den Elektronen im Inneren des Materials ist durch den Ioneneinschlag aber völlig anders als zuvor. Das bewirkt, dass in diesem Fall genau die entgegengesetzte Elektronenkonfiguration energetisch besser zu den Elektronen im Inneren des Materials passt. Quanteneffekte sorgen also dafür, dass das Ergebnis danach nicht völlig zufällig ist, sondern dass es sogar zu einem vorhersagbaren Umschalten kommt.

Thema 3: Kleinste QR-Codes der Welt überzeugen

Ins Guinness-Buch der Rekorde schaffte es die TU Wien auch! Und zwar gemeinsam mit ihrem Partnerunternehmen Cerabyte. Die Jury überzeugt haben die kleinsten QR-Codees, die, wie betont wird, jemals produziert und gelesen werden konnten. Man fragt sich unwillkürlich, wie klein ein noch lesbarer QR-Code eigentlich sein kann. Nun, so klein, dass man ihn nur noch mit einem Elektronenmikroskop erkennen kann! Der QR-Code hat eine Fläche von nur 1,98 Quadratmikrometern – das ist kleiner als die meisten Bakterien groß sind.

Der Rekord wurde auch geprüft und dann offiziell ins Guinness-Buch der Rekorde aufgenommen. Die Technologie habe großes Potenzial für die langfristige Speicherung von Daten. Denn herkömmliche magnetische oder elektrische Datenspeicher haben oft nur eine Lebensdauer von einigen Jahren dann sind die Informationen sozusagen verloren. Doch wenn man Information Bit für Bit in keramische Materialien einschreibt, steigt die Speicherfähigkeit auf Jahrhunderte oder gar Jahrtausende.

Stabile Codes gibt es nur in geeigneten Materialien

„Die Struktur, die wir hier erzeugen, ist so fein, dass man sie mit Lichtmikroskopen gar nicht erkennen kann“, so Prof. Paul Mayrhofer vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. Das sei aber noch gar nicht das wirklich Bemerkenswerte daran, denn Strukturen im Mikrometerbereich seien heute nichts Ungewöhnliches. Ja sogar Muster aus einzelnen Atomen ließen sich heute herstellen. Dabei, so Mayrhofer entsteht aber noch lang kein stabiler oder gar lesbarer Code. Entscheidend dafür ist nämlich vor allem die Wahl des passenden Materials. Man forscht deshalb an keramischen Dünnfilmen, wie man sie etwa auch für die Beschichtung von hochleistungsfähigen Zerspanungswerkzeugen braucht. Denn bei diesen Produkten ist es wichtig, dass die Materialien auch unter den Extrembedingungen der Metallbearbeitung stabil und haltbar bleiben. „Und genau das macht diese Materialien auch ideal für Datenspeicherung“, merken Erwin Peck und Balint Hajas dazu an, die hauptverantwortlich dafür gesorgt haben, dass der Guinness-Buch-Rekord zustande kam.

Fokussierte Ionenstrahlen meißeln Infos in Keramik

Mit fokussierten Ionenstrahlen fräste das Team den QR-Code dazu in eine dünne keramische Schicht. Die einzelnen Bildpunkte messen lediglich 49 Nanometer – eine einzige Wellenlänge sichtbaren Lichts ist ungefähr zehnmal größer, wie man betont. Der Code ist folglich absolut unsichtbar, denn seine Details sind mit sichtbarem Licht physikalisch nicht aufzulösen – ähnlich wie es für den dicken Fuß eines Elefanten prinzipiell unmöglich ist, Braille (Blindenschrift) zu ertasten. Doch mit einem Elektronenmikroskop zeigte sich schließlich, dass der Nano-QR-Code tatsächlich zuverlässig ausgelesen werden kann. Die Speicherkapazität dieser Methode ist bemerkenswert. Denn auf der Fläche einer A4-Seite könne man auf diese Weise mehr als zwei Terabyte an Daten unterbringen. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern sind solche Keramiksysteme ohne Energiebedarf fast unbegrenzt haltbar, wie nicht vergessen werden darf.

Bekanntlich leben wir heute im Informationszeitalter. Doch ausgerechnet die eigene Epoche speichert ihr Wissen in Medien, die erstaunlich kurzlebig sind, wie die Forscher anmerken. Magnetische und elektronische Datenträger verlieren Informationen, wie gesagt, ja oft schon nach wenigen Jahren, wenn nicht für eine ständige Energiezufuhr, Kühlung und regelmäßige Migration gesorgt wird. Am Ende verblassen die Spuren unserer Zeit, sofern sie nicht dauerhafter konserviert sind. Frühere Kulturen meißelten ihr Wissen in Stein – und diese Botschaften überdauerten Jahrtausende. Das hat man quasi mit dem kleinsten QR-Code auch gemacht.

Unabhängige Institutionen bestätigen die Einmaligkeit

Wichtig ist dabei auch zu wissen, dass diese Daten eben auch ohne Kühlaufwand haltbar bleiben – im Gegensatz zu heutigen Datencentern, die gewaltige Mengen an elektrischer Energie benötigen und somit auch zum CO₂-Ausstoß der Menschheit beitragen. Der Weltrekord – inklusive Auslesevorgang per Elektronenmikroskop – wurde schließlich von der TU Wien und Cerabyte gemeinsam vor Zeugen durchgeführt und von der Universität Wien – als unabhängiger Vermesser – bestätigt. An der TU Wien stehen dafür nicht nur materialwissenschaftliche Labors zur Verfügung, sondern auch die Hightech-Elektronenmikroskope des USTEM, des Elektronenmikroskop-Zentrums der TU Wien. Der Rekord wurde nun von Guinness geprüft und offiziell anerkannt. Der nun vermessene QR-Code hat nur 37 Prozent der Größe des bisherigen Weltrekordhalters. Aber, so sind sich die Wiener Nano-Code-Macher sicher: Der nun bestätigte Weltrekord markiert erst den Anfang einer vielversprechenden Entwicklung. Vielleicht übertrifft man ja bald den eigenen Rekord? (pk)

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