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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Quelle: Universität Würzburg.

23. Dezember 2021 – Der Wechsel zwischen Singulett- und Triplett-Zustand von Elektronenpaaren in ladungsgetrennten Zuständen spielt in der Natur eine wichtige Rolle. Vermutlich kann auch der Kompass von Zugvögeln mit dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf das Wechselspiel zwischen diesen beiden Spinzuständen erklärt werden.

Dieser Quantenprozess war bislang optisch nicht direkt verfolgbar. Eine Forschungskooperation mit den Chemieprofessoren Ulrich Steiner von der Universität Konstanz und Christoph Lambert von der Universität Würzburg an der Spitze stellt im Wissenschaftsjournal Science mit der Pump-Push-Puls-Technik nun eine Methode vor, mit der sich der zeitliche Verlauf der Singulett/Triplett-Einstellungen erstmals optisch bestimmen lässt. Das eröffnet neue Wege, etwa im Bereich organischer Solarzellen, aber auch für Qubits in Quantencomputern.

Lichtenergie hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau
Normalerweise besetzen Elektronen in einem Molekül die quantentheoretisch möglichen Bahnen paarweise. Dabei ist die Eigenschaft des Eigendrehimpulses der Elektronen, ihres sogenannten Spins, von entscheidender Bedeutung.

Nach dem Pauli-Prinzip der Quantentheorie können zwei Elektronen nur dann auf der gleichen Bahn laufen, wenn ihr Spin antiparallel ist. Dreht sich das eine Elektron rechtsherum, muss sich das andere linksherum drehen. Im molekularen Grundzustand sind in der Regel alle Elektronenspins gepaart.

Durch Anregung mit Licht wird ein einzelnes Elektron aus der Paarkonstellation gelöst und auf ein energetisch höheres Niveau gehoben, wo es allein eine freie Bahn besetzt. Von hier kann es dann weiter auf eine freie Bahn in einem geeigneten Nachbarmolekül überspringen.

Das Ergebnis stellt eine photoinduzierte Elektronübertragung dar. Die beiden vereinzelten Elektronen können nun durch magnetische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung ihre Spin-Einstellung unabhängig voneinander verändern, da sie nicht mehr durch das Pauli-Prinzip eingeschränkt sind.

Die beiden separierten Elektronen bilden ein Radikalpaar
Eine solche Ladungstrennung durch photoinduzierte Elektronenübertragung findet beispielsweise auch bei der Photosynthese statt.

Die Energie des übertragenen Elektrons nimmt bei diesem Schritt nur wenig ab, sodass der größte Teil der anfänglich durch die Lichtanregung aufgenommenen elektronischen Energie noch erhalten ist. Diese ursprüngliche Anregungsenergie ist somit in chemischer Form gespeichert. Der ladungsgetrennte Zustand mit den beiden separierten Elektronen wird in der Chemie auch als Radikalpaar bezeichnet.

Sind die Spins der beiden Elektronen parallel ausgerichtet, spricht man von einem Triplett-Zustand, sind sie antiparallel ausgerichtet, von einem Singulett-Zustand des Radikalpaares. Durch die freie individuelle Entwicklung der beiden Spins wechselt der Spin-Zustand des Radikalpaars zwischen Singulett- und Triplett-Zustand hin und her. Da energetisch zwischen diesen Spin-Ausrichtungen kein großer Unterschied besteht, waren sie bislang optisch nicht direkt unterscheidbar.

Eine Energiestabilisierung des Radikalpaars kann erfolgen, indem das Radikalelektron vom Akzeptormolekül zurückspringt zum Donormolekül und sich so unter Energiefreisetzung der ursprüngliche Singulett-Zustand wieder zurückbildet. Damit es sich jedoch wieder mit dem ursprünglichen Partnerelektron paaren kann, muss sein Spin zu diesem entgegengesetzt geblieben sein, was durch eine zwischenzeitlich mögliche Spin-Umorientierung nicht unbedingt der Fall ist. Hat es aktuell eine andere Spin-Einstellung, kann es zwar nicht auf seine ursprüngliche Bahn zurück, aber durch Übergang in eine andere, noch freie tiefere Bahn am Akzeptor ebenfalls Energie abgeben.

Es bildet sich so ein Triplett-Produkt am Akzeptor, das von dem Singulett-Produkt am Donor optisch unterschieden werden kann.

Radikalpaar als Modell für Qubits und den Magnetfeldsensor von Zugvögeln
Die Phase, in der die Radikalpaare zwischen dem Singulett- und dem Triplett-Zustand hin- und herpendeln, ist in vielerlei Hinsicht von besonderem Interesse.

Da es sich um eine quantenmechanisch gesteuerte kohärente Bewegung handelt, ist sie grundsätzlich, etwa durch ein äußeres Magnetfeld, kontrollierbar. Mit solchen Bewegungen werden beispielsweise in der Physik Quantenrechner realisiert.

„Unser Radikalpaar kann als Modell für Qubits dienen, wie sie in Quantenrechnern als Elemente vorhanden sind, oder für das Verständnis der Funktion von Radikalpaaren in dem eingangs erwähnten biologischen Kompass von Zugvögeln. Aus solchen Gründen ist es von Interesse zu wissen, wie der Spin in diesem Prozess ausgerichtet ist“, sagt Ulrich Steiner, der in Konstanz zu Photokinetik und Spin-Chemie forscht.

Pump-Push-Technik ermöglicht die Bestimmung von Singulett/Triplett-Einstellungen
Im Labor von Christoph Lambert in Würzburg wurde mit der magnetfeldabhängigen Pump-Push-Technik ein experimentelles Verfahren entwickelt, mit dem es zum ersten Mal möglich ist, die Singulett/Triplett-Einstellungen zu bestimmten Zeitpunkten in einem speziell für diese Untersuchungen synthetisierten Donor-Akzeptor-Molekül auszulesen.

Zunächst wird mit einem sogenannten Pump-Laser-Puls der Elektronentransfer vom Donor- zum Akzeptormolekül initiiert. Dabei entsteht der ladungsgetrennte Zustand mit Singulett-Spin. Die ungepaarten Elektronen-Spins können sich nun zeitlich entwickeln.

Nach einer gewissen Zeit wird ein zweiter Laser-Puls hinterhergeschickt. „Durch diesen Push-Laser-Puls wird wieder ein Elektron vom Akzeptor- zum Donormolekül zurückübertragen, wobei der zweite Laserpuls das System zwingt, sofort die Entscheidung zwischen Triplett- oder Singulett-Produktbildung zu treffen, wofür sich das Radikalpaar normalerweise mehrere Spin-Oszillationsperioden Zeit lassen würde“, sagt Ulrich Steiner, der mit seinem russischen Kollegen die Interpretation der Experimente durch quantentheoretische Modellrechnungen belegt hat.

Auf diese Weise lassen sich quasi Schnappschüsse des Spin-Zustandes des Radikalpaares zu verschiedenen Zeitpunkten aufnehmen und die periodische Umwandlung von Singulett- und Triplett-Radikalpaar beweisen.

Publikation
David Mims, Jonathan Herpich, Nikita N. Lukzen, Ulrich E. Steiner, Christoph Lambert. Readout of spin quantum beats in a charge-separated radical pair by pump-push spectroscopy. Science, 16. Dezember 2021, Vol 374, DOI: 10.1126/science.abl4254

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• Teilchenumwandlung

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