Quelle: Technische Universität München 13. März 2024.

13. März 2024 – Wie wird sichergestellt, dass Daten, die über das Internet übermittelt werden auch nur den beabsichtigen Empfänger erreichen? Aktuell werden unsere Daten mathematisch verschlüsselt. Das heißt, hinter der Verschlüsselung steckt die Idee, dass es schwierig ist, eine große Zahl in ihre Faktoren zu zerlegen. Durch die steigende Rechenleistung von Quantencomputern ist davon auszugehen, dass diese mathematischen Codes zukünftig nicht mehr sicher sein werden.

Verschlüsselung mithilfe der physikalischen Gesetze
Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication Systems Engineering, arbeitet an einem Verschlüsselungsverfahren, das mithilfe der physikalischen Gesetze funktioniert. „Die Sicherheit basiert darauf, dass die Informationen in einzelne Lichtteilchen kopiert und anschließend übertragen werden. Die physikalischen Gesetze erlauben es dabei nicht, diese Informationen unbemerkt auszulesen oder zu kopieren. Sobald die Informationen abgehört werden, verändern die Lichtteilchen ihren Zustand. Da wir diese Zustandsänderung messen können, wird jeder Abhörversuch, unabhängig von zukünftigen technischen Entwicklungen, sofort erkannt“, sagt Tobias Vogl.

Die große Herausforderung bei der sogenannten Quantenkryptographie besteht darin, Daten über weite Distanzen zu übertragen. In der klassischen Kommunikation wird Information in viele Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern verschickt. Die Information in einem einzelnen Lichtteilchen kann jedoch nicht kopiert werden, weshalb man das Lichtsignal nicht – wie bei der aktuellen Kommunikation über Glasfaserkabel – immer wieder verstärken kann. Dadurch können Informationen nur über einige 100 Kilometer übermittelt werden.

Um Informationen auch in andere Städte oder Kontinente zu übertragen, soll zukünftig der Aufbau der Atmosphäre genutzt werden. Ab einer Höhe von etwa zehn Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Mithilfe von Satelliten ist es so möglich, Quantenkommunikation auch über weite Strecken zu betreiben.

Satelliten ermöglichen die Quantenkommunikation
Im Rahmen der sogenannten QUICK³-Mission entwickelt Tobias Vogl gemeinsam mit seinem Team ein komplettes System mit allen Komponenten, die benötigt werden, um einen Satelliten für die Quantenkommunikation zu bauen. In einem ersten Schritt hat das Team die einzelnen Komponenten des Satelliten individuell getestet. Im nächsten Schritt wollen sie das gesamte System im Weltraum erproben. Hierbei untersuchen die Forschenden, ob die Technik überhaupt den Bedingungen des Weltraums standhält und wie die einzelnen Komponenten des Systems miteinander interagieren. Die Mission ist für 2025 geplant. Um für die Quantenkommunikation ein lückenloses Netz aufzubauen, werden allerdings hunderte oder sogar tausende Satelliten benötigt.

Hybrides Netzwerk zur Verschlüsselung
Nicht alle Informationen sollen zukünftig über diesen Weg übertragen werden, da das Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Vorstellbar ist ein hybrides Netzwerk, in dem Daten entweder mathematisch oder physikalisch verschlüsselt werden. Antonia Wachter-Zeh, Professorin für Codierung und Kryptographie, arbeitet daran, mathematisch so komplexe Algorithmen zu entwickeln, dass diese auch von einem Quantencomputer nicht gelöst werden können. Bei den meisten Informationen wird es auch zukünftig ausreichen, die Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen zu verschlüsseln. Nur für besonders schützenswerte Dokumenten, die beispielsweise zwischen zwei Banken ausgetauscht werden, kommt zukünftig die Quantenkryptographie infrage.

Mehr Informationen:

• Seit Juli 2023 ist Tobias Vogl Professor für Quantum Communication System Engineering an der School of Computation, Information and Technology. In seiner Forschung fokussiert er sich auf optische Quantentechnologien in Festkörper-Kristallen. Insbesondere werden fluoreszierende Defekte im 2D-Material hexagonales Bornitrid untersucht, welche mit resonanten Nanostrukturen und photonischen Schaltkreisen kombiniert werden, um sie als Bauelemente für die Quanteninformationsverarbeitung und in Quantennetzwerken zu nutzen.
• Bei der QUICK³-Mission handelt es sich um ein internationales Forschungsprojekt, an dem Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik und des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien, sowie der National University of Singapore beteiligt sind.

Originalpublikation:
Najme Ahmadi, Sven Schwertfeger, Philipp Werner, Lukas Wiese, Joseph Lester, Elisa Da Ros, Josefine Krause, Sebastian Ritter, Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk, Ria G. Krämer, Simone Atzeni, Mustafa Gündoğan, Subash Sachidananda, Daniel Pardo, Stefan Nolte, Alexander Lohrmann, Alexander Ling, Julian Bartholomäus, Giacomo Corrielli, Markus Krutzik, Tobias Vogl. „QUICK3 – Design of a Satellite-Based Quantum Light Source for Quantum Communication and Extended Physical Theory Tests in Space“. Adv. Quantum Technol. (2024).
doi.org/10.1002/qute.202300343
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202300343

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Fachhochschule St. Pölten 29. September 2022.

29. September 2022 – Digitalisierung und Globalisierung benötigen eine sichere Kommunikation. Bisherige Verfahren der Kryptografie verschlüsseln Daten mit hochsicheren mathematischen Methoden. Doch mit immer leistungsfähigeren Rechnern, insbesondere wenn einmal leistungsfähige Quantencomputer existieren, werden diese bestehenden Ansätze zu unsicher.

Daher versucht man schon seit Jahrzehnten physikalische Methoden zu finden. Begonnen haben diese Verfahren mit der „Quantenkryptografie“. Doch sie ist sehr teuer und weltweit massentauglich nicht einsetzbar, vor allem bei größeren Entfernungen.

Datensicherung mit Funksignalen und Satelliten
Dem gegenüber wird seit rund 15 Jahren an einer neuen Methode geforscht, die auf der Messung von Funkkanaleigenschaften basiert und massentauglich und kostengünstig ist. Sie eignet sich aber nur für kurze Entfernungen bis ca. 20 km.

„Uns ist es in einem Forschungsprojekt gelungen die Technologie auch für große Entfernungen, d. h. weltweit mit Hilfe von Satelliten, einsetzbar zu machen. Sie wird daher Satellitenkryptografie genannt. Da weltweit noch keine einzige Publikation und kein Patent über diese Methode existiert, haben wir die Forschungsergebnisse in einer internationalen Patentanmeldung umfangreich geschützt“, sagt Ernst Piller.

„Die FH St. Pölten und ihre Forscher*innen sind seit Jahren sehr aktiv im Bereich des Technologietransfers. Das Patent für Ernst Pillers Projekt ist ein wichtiger Erfolg aus diesen Bestrebungen. Dass das Patent nun zu den wichtigsten Erfindungen und Entdeckungen Niederösterreichs zählt, zeigt die Forschungsstärke an unserer FH und ich gratuliere Ernst Piller herzlich zu dieser Würdigung“, sagt Hannes Raffaseder, Chief Research and Innovation Officer der FH St. Pölten.

Ausgezeichnetes Forschungsprojekt
Piller Forschungsarbeiten erzielten in Niederösterreich bereits den ersten Platz beim Preis „riz up GENIUS“ in der Kategorie „Geniale Forschung“ und beim niederösterreichischen Innovationspreis in der Kategorie Forschung.

Warten auf kommerzielle Nutzung
„Eine kommerzielle Nutzung ist aber erst im nächsten Jahrzehnt von Bedeutung, weil dann leistungsfähige Quantencomputer existieren. Wir streben die kommerzielle Nutzung aber unbedingt weltweit an“, sagt Piller.

Das Land Niederösterreich präsentierte bei der Veranstaltung gestern Abend die Sonderbroschüre „100 Jahre Erfindungen und Entdeckungen aus NÖ – ein Streifzug“. In ihr werden alle gewürdigten Patente und Erfindungen vorgestellt.

Über die Fachhochschule St. Pölten
Die Fachhochschule St. Pölten ist Anbieterin praxisbezogener und leistungsorientierter Hochschulausbildung zu den Themen Medien, Kommunikation, Management, Digitale Technologien, Informatik, Security, Bahntechnologie, Gesundheit und Soziales. In 6 Departments bieten 26 Studiengänge und zahlreiche Weiterbildungslehrgänge ca. 3.700 Studierenden eine zukunftsweisende Ausbildung. Hierbei werden Lehre und Forschung eng verzahnt. Als European University leitet die FH St. Pölten die europäische Hochschulallianz E³UDRES² (Engaged – European – Entrepreneurial University as Driver for European Smart and Sustainable Regions) und arbeitet mit Hochschulen aus 7 Partnerländern an der Entwicklung smarter und nachhaltiger Regionen.

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• Satellitenkryptografie

Der Beitrag Patent zur Satellitenkryptografie: IT-Projekt unter den besten Erfindungen aus 100 Jahre Niederösterreich erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR 27. September 2022.

27. September 2022 – Ganz vereinfacht reichen zwei geladene Teilchen, um die Welt zu erklären: Die Teilchen stoßen sich ab oder ziehen sich an. Das gilt zum Beispiel für ein Ion und ein Elektron. Auf dieser physikalischen Basis bilden sich auch Moleküle und große Festkörper. Jetzt haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Drei-Teilchen-Zustand entdeckt – genauer gesagt: Sie haben ihn in einem speziellen Material berechnet. Die Forschenden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Technischen Universität Dortmund und dem Los Alamos National Laboratory zeigen auch, wie der Drei-Teilchen-Zustand in einem Experiment nachgewiesen werden kann: mit Röntgenstrahlen. In Zukunft könnte die magnetische Dreiergruppe sogar zu einer Technologie für Quantencomputer wachsen.

„Die Vorhersage dieser Drei-Teilchen-Zustände hat eine fundamentale Bedeutung, weil sich ihre Bindungskraft grundsätzlich von den bisherigen bekannten Mechanismen unterscheidet. Durch die Entdeckung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass wir noch exotischere Zustände finden: So könnten sich zum Beispiel ganze Ketten von magnetischen Anregungen formen“, erklärt Dr. Benedikt Fauseweh, Gruppenleiter im DLR-Institut für Softwaretechnologie in Köln. Die Ketten könnten später zu Qubits „verknotet“ werden, den Rechenbausteinen von Quantencomputern. Die Informationen wären in den einzelnen Ketten („Strings“) gespeichert. Und die Rechenoperationen würden dann in den „Knoten“ der Strings durchgeführt. Die Knoten sind in der Quantenwelt außergewöhnlich stabil. Deswegen gelten die sogenannten topologischen Quantencomputer, die auf dieser Grundidee beruhen, als widerstandsfähig gegen äußere Störungen. Das ist ein Vorteil gegenüber anderen Technologien für Quantencomputer.

Neue Erkenntnisse über Quantenmaterialien und Supraleitung möglich
Zwei Jahre haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Berechnung der Drei-Teilchen-Zustände in Hochtemperatur-Supraleitern gearbeitet. Diese Materialklasse basierend auf Kupferoxiden ist erst seit den 1980er Jahren bekannt und hat Eigenschaften, die noch nicht vollständig geklärt sind. Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin Communications Physics veröffentlicht, inklusive einer Anleitung, wie die Zustände praktisch nachgewiesen werden: Durch Experimente mit Röntgenstrahlung sollen die drei aneinander gebundenen Teilchen sichtbar werden. „Die Röntgenstrahlung wird vom Material aufgenommen und überträgt Energie auf die Atome. Wenn dabei ein Drei-Teilchen-Zustand erzeugt wird, ist eine besonders starke Streuung der Strahlung messbar“, sagt Benedikt Fauseweh.

Die Drei-Teilchen-Zustände sind auch für die Grundlagenforschung hochinteressant: Wenn der Nachweis mit Röntgenstrahlen gelingt, wäre das eine vielversprechende experimentelle Möglichkeit, mehr über Quantenmaterialien zu lernen. Gleichzeitig können mögliche Effekte dieser starken Bindung in Hochtemperatur-Supraleitern beobachtet werden. „Spannend wäre es zum Beispiel, wenn die Drei-Teilchen-Zustände einen wichtigen Einfluss auf die Supraleitung und ihre Sprungtemperatur haben“, erklärt Benedikt Fauseweh.

Hochtemperatur-Supraleiter
Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne jeden Widerstand leiten. Dazu müssen sie unter ihre sehr niedrige „Sprungtemperatur“ gekühlt werden. Unterhalb dieser Temperatur wird ein System von quantenmechanischen Effekten dominiert. Zum Kühlen eignet sich zum Beispiel flüssiges Helium bei -269 Grad Celsius. Hochtemperatur-Supraleiter wurden erstmals 1986 von Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller entdeckt. 1987 erhielten die beiden Physiker dafür den Nobelpreis. Hochtemperatur-Supraleiter zeichnen sich durch eine in der Regel sehr viel höhere Sprungtemperatur aus. Sie haben ungewöhnliche Quanteneigenschaften, die sie von konventionellen Supraleitern unterscheiden. Hochtemperatur-Supraleiter gehören zur Klasse der Quantenmaterialien und stehen im Zentrum moderner Festkörperforschung. Der Mechanismus, der zu Supraleitung in diesen Materialien führt, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass magnetische Anregungen dabei eine wichtige Rolle spielen.

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• DLR

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Quelle: DFKI.

2. Mai 2022 – Quantencomputer bergen ungeahntes Potenzial für zahlreiche Anwendungsfelder – auch für die Robotik. Doch noch steckt die Forschung in den Kinderschuhen. Im nun abgeschlossenen Projekt QINROS ist es Forschenden des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Universität Bremen gelungen, bestärkende Lernverfahren mit Quantenalgorithmen erstmalig für die Roboternavigation im Kontext der Weltraumexploration einzusetzen. Damit schaffen sie wichtige Grundlagen zur Erforschung der Zukunftstechnologie für robotische Anwendungen. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

Die größte Herausforderung im Bereich der autonomen Robotik ist die riesige Datenmenge, die in kürzester Zeit verarbeitet werden muss, damit Roboter selbständig agieren und schnell auf unvorhergesehene Situationen reagieren können. Quantencomputer sind in der Lage, eine Vielzahl von Lösungswegen parallel zu berechnen, weshalb sie Informationen deutlich schneller verarbeiten, und sehr viel komplexere Aufgaben bewältigen könnten als klassische digitale Computer. Doch die Erforschung quantengestützter Berechnungsverfahren in der Robotik steht noch ganz am Anfang. Diese voranzutreiben, haben sich das DFKI Robotics Innovation Center und die Arbeitsgruppe Robotik der Universität Bremen auf die Fahne geschrieben und eine Forschungsagenda definiert, um quantengestützte Konzepte und Lösungen für Anwendungsfelder in der Künstlichen Intelligenz (KI) und Robotik zu erarbeiten.

Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirchner, Leiter des DFKI Robotics Innovation Center: „Die Quantentechnologie, insbesondere das Quantenmaschinelle Lernen, hat das Potenzial bedeutende Entwicklungen im Bereich der effizienten Berechnung hoch komplexer Prozesse zu ermöglichen. Gerade in der Robotik haben wir das Problem, dass wir immer am Limit der Computer arbeiten – je mehr Rechenkraft uns zur Verfügung steht, desto besser. Allerdings gilt es hier noch sehr viel grundlegende Forschung zu betreiben und entsprechende Ausbildungsarbeit zu leisten. Dazu möchten wir mit aktuellen und zukünftigen Projekten beitragen.“

Im Mittelpunkt des im September 2020 gestarteten Projekts QINROS (Quantencomputing und quantenmaschinelles Lernen für intelligente und robotische Systeme) stand die Frage, ob und in welchem Ausmaß sich Rechenprozesse für robotische Navigationsaufgaben bereits heute auf Quantencomputer auslagern lassen. Die Verteilung von Rechenprozessen ist deshalb von besonderer Relevanz, weil die Rechenkapazität aktueller Quantencomputer noch nicht für eine vollständig quantenbasierte Verarbeitung ausreicht. Zudem wollten die Bremer Forschenden herausfinden inwiefern die quantengestützte Ausführung maschineller Lern- und Optimierungsverfahren Vorteile gegenüber klassischen Verfahren birgt. Dies untersuchten sie am Beispiel eines mobilen Turtlebot-Systems, dessen Aufgabe es ist, mithilfe von Reinforcement Learning eine unbekannte Umgebung eigenständig zu erkunden. Dabei erfasst der Roboter sowohl Sensorwerte der Umgebung als auch Informationen zu seinem internen Status, die als Datenbasis für das bestärkende Lernen dienen, das erwünschtes Roboterverhalten wie das erfolgreiche Umfahren eines Hindernisses belohnt. So lernt das System, sich nach und nach in der ihm fremden Umgebung zurechtzufinden.

Ausgehend von diesem Szenario wurde zunächst theoretisch evaluiert, welche Anteile des Reinforcement Learning sich mithilfe von quantengestützten Verfahren berechnen lassen, und welche sinnvollerweise, aber auch notwendigerweise mit klassischen Verfahren vorverarbeitet werden müssen. Die Umsetzung erfolgte in der simulierten Umgebung mit steigender Komplexität. Hierfür entwickelten die Forschenden Algorithmen für parametrisierbare Quantenschaltkreise, die u.a. die Berechnung neuer Trajektorienziele mit Qubits ermöglichen. Dabei zeigte sich, dass sich mithilfe der Quantenschaltkreise äquivalente Ergebnisse wie mit klassischen neuronalen Netzen erzielen lassen. Darüber hinaus deuten erste Ergebnisse darauf hin, dass sich Probleme deutlich kompakter darstellen lassen: So benötigten die Wissenschaftler zur Lösung ein und desselben Problems anstatt 2000 Parameter im neuronalen Netz nur 200 Parameter im Quantenschaltkreis. Die Projektergebnisse veröffentlichten die Forschenden in dem Paper „Quantum Deep Reinforcement Learning for Robot Navigation Tasks“ (arXiv:2202.12180)

Ein weiterer wesentlicher Bestanteil von QINROS war ein zweitätiger virtueller Workshop am 17. und 18. Februar 2022, der darauf abzielte, Interessierten aus der (KI-)Software-Entwicklung, Führungskräften aus Industrie und Forschung sowie Studierenden und Promovierenden einen ersten Einblick in die komplexe Thematik zu geben. Mit insgesamt 150 Teilnehmenden, einem durchweg positiven Feedback sowie dem Wunsch nach weiteren derartigen Weiterbildungsmöglichkeiten war die Veranstaltung ein voller Erfolg.

Frank Kirchner: „Mit QINROS ist es uns erstmalig gelungen, quantenmaschinelle Lernverfahren für Roboterverhalten in einer simulierten Umgebung zu demonstrieren und so die Leistungsfähigkeit parametrisierbarer Quantenschaltkreise in einem Anwendungsfall der Weltraumrobotik darzustellen. Wir freuen uns sehr über die vielversprechenden Ergebnisse, die wir nun weiterverfolgen wollen. Die rege Teilnahme an unserem Workshop hat uns den Bedarf und das enorme Interesse an dem Thema nochmals vor Augen geführt.“

Das Projekt QINROS wurde vom 1. September 2020 bis zum 28. Februar 2022 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

Paper:
Quantum Deep Reinforcement Learning for Robot Navigation Tasks Dirk Heimann, Hans Hohenfeld, Felix Wiebe, Frank Kirchner: https://arxiv.org/abs/2202.12180
pdf: https://arxiv.org/pdf/2202.12180

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• KI und Raumfahrt

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