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ÖSTERREICH JOURNAL NR. <strong>180</strong> / 19. 12. 2018 Wissenschaft & Technik 118 schluß mehrerer Teilnehmer waren hingegen hochkomplexe und fehleranfällige Hardware- Setups erforderlich, die letztlich ebenfalls nur limitierte Kommunikationsverbindungen zuließen. Neue Architektur für Quantennetzwerk Den Ausweg aus dieser Einschränkung fanden die Wiener Forscher nun, indem sie eine neue Netzwerkarchitektur entwarfen und in einem Experiment auf den Prüfstand stellten: Sie verbanden vier Teilnehmer in einem Quantennetzwerk und versorgten die - se aus einer einzelnen Quelle mit einzelnen Lichtteilchen. Bereits an der Quelle wurden die Photonen jeweils paarweise mit einer unbekannten – jedoch identischen Polarisation (Polarisation bezeichnet die Schwingungsrichtung der Photonen), erzeugt. Sören Wengerowsky, Erstautor der Studie, schildert den weiteren Ablauf des Experiments: „Die Photonenpaare werden wie in einem Regenbogen generiert, was uns die Foto: ÖAW / IQOQI / Kotyrba Wiener Quantenforscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften realisierten ein quantenkryptographisch verschlüsseltes Netzwerk. Auf dem Weg zur Entwicklung eines Quanteninternets der Zukunft ist ihnen damit ein wichtiger Schritt gelungen. © ÖAW / IQOQ / Murali Krishna Künstlerische Darstellung eines Quantennetzwerks zwischen vier Teilnehmern, das Wiener Quantenforscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun erstmals experimentell realisieren konnten. Möglichkeit gibt, sie eindeutig unter den Teilnehmern zu verteilen. Jeder Teilnehmer nimmt dann eine Messung der Polarisation an seinem Photon vor.“ Das Ergebnis dieser Messung ist zwar gemäß den Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik bei jedem Teilnehmer zufällig, jedoch bei beiden Teilen eines Photonenpaares immer identisch. Dank dieser Verschränkung können alle Teilnehmer des Netzwerks miteinander kryptographische Schlüssel erzeugen und für eine abhörsichere Kommunikation verwenden. „Ein entschei - dender Vorteil dieser Architektur ist ihre Flexibilität“, betont Ursin. „Wir sind damit in der Lage, neue Kommunikationspartner in das Quantennetzwerk zu integrieren – und zwar mit lediglich minimalen Eingriffen. Damit ist gezeigt, daß Quantennetzwerke Realität werden können – für Jedermann.“ In Zukunft können so umfassende Netzwerke aufgespannt werden, die es allen NutzerInnen auch über große Distanzen erlauben, abhörsicher miteinander zu kommunizieren – eine Voraussetzung für den Aufbau eines Quanteninternets. Die Erweiterbarkeit der neuen Quanten-Netzwerkarchitektur wol - len die Forscher nun in weiteren Experimenten unter Beweis stellen. Im globalen Rennen um die Entwicklung des Quanteninternets ist jetzt jedenfalls geklärt: Alice und Bob können künftig auch netzwerken. n https://www.oeaw.ac.at/ Publikation „Entanglement-based wavelength multiplexed quantum communication network”, Sören Wengerowsky, Siddarth Koduru Joshi, Fabian Steinlechner, Hannes Hübel, and Ru pert Ursin, Nature, 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0766-y »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
ÖSTERREICH JOURNAL NR. <strong>180</strong> / 19. 12. 2018 Wissenschaft & Technik Neue Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht komplizierter aufgebaut ist. Wenn es aus vielen verschiedenen Frequenzen besteht, zwischen de - nen der Abstand immer gleich ist, wie zwischen den Zähnen eines Kamms, dann spricht man von einem „Frequenzkamm“. Frequenzkämme eignen sich perfekt dafür, verschiedenste chemische Stoffe aufzuspüren. An der TU Wien wird diese spezielle Art von Laserlicht nun verwendet um chemische Analysen auf kleinstem Raum zu ermögli - chen. Mit dieser neuen Technologie, die be - reits zum Patent angemeldet wurde, können Frequenzkämme auf einem einzigen Chip auf sehr einfache und robuste Weise erzeugt werden. Diese Arbeit wurde nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert. Ein Kamm mit Nobelpreis Frequenzkämme gibt es schon seit Jahren. Im Jahr 2005 wurde dafür der Physik- Nobelpreis vergeben. „Das Spannende dabei ist, daß man mit zwei Frequenzkämmen re - lativ einfach ein Spektrometer bauen kann.“ er klärt Benedikt Schwarz, der das Forschungsprojekt leitet. „Dabei nützt man Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Tö - ne mit ähnlicher Frequenz hört. Wir verwenden diese neue Methode, weil sie ohne be - wegliche Teile auskommt und entwickeln damit ein Chemielabor im Millimeter-Format.“ An der TU Wien werden Frequenzkämme mit einer ganz speziellen Art von Lasern hergestellt – mit sogenannten „Quantenkas - kadenlasern“. Dabei handelt es sich um Halbleiterstrukturen, die aus vielen verschiedenen Schichten bestehen. Wenn man elektrischen Strom durch die Struktur schickt, sendet sie Laserlicht im Infrarotbereich aus. Die Eigenschaften des Lichts kann man steuern, indem man die Geometrie der Schichtstruktur passend wählt. „Mit Hilfe eines elektrischen Signals mit einer ganz bestimmten Frequenz können wir unsere Quantenkaskadenlaser gezielt beeinflussen und bekommen eine Reihe von Lichtfrequenzen, die alle miteinander ge kop - Foto: TU Wien Das Forschungsteam vom Institut für Festkörperelektronik (v.l.): Benedikt Schwarz, Aaron Maxwell Andrews, Gottfried Strasser, Johannes Hillbrand und Hermann Detz pelt sind“, sagt Johannes Hillbrand, Erstautor der Publikation. Das Phänomen erinnert an Schaukeln auf einem Schaukelgerüst – wenn man nicht die einzelnen Schaukeln an - stößt, sondern in der richtigen Frequenz am Gerüst wackelt, kann man alle Schaukeln dazu bringen, in bestimmten gekoppelten Mu stern zu schwingen. „Der große Vorteil unserer Technik ist die Robustheit des Frequenzkamms“, sagt Benedikt Schwarz. Ohne diese Technik sind die Laser extrem empfindlich gegen Störungen, wie sie außerhalb des Labors unvermeidlich sind – etwa Temperaturschwankungen, oder Reflexionen, die einen Teil des Lichts wieder in den Laser zurücksenden. „Unsere Tech - nik kann mit sehr geringem Aufwand realisiert werden und eignet sich daher hervorragend für praktische Anwendungen selbst in schwierigen Umgebungen. Die benötigten Bauelemente findet man heute im Grunde in jedem Mobiltelefon“, betont Schwarz. Der molekulare Fingerabdruck Dass der Quantenkaskadenlaser einen Frequenzkamm im Infrarotbereich erzeugt, ist deshalb wichtig, weil viele wichtige Mo - leküle genau in diesem Bereich am besten detektiert werden können. „Verschiedene Luftschadstoffe, aber auch Biomoleküle, die für die medizinische Diagnostik eine wichtige Rolle spielen, absorbieren ganz bestimmte Lichtfrequenzen im Infrarotbereich. Man bezeichnet das oft auch als optischen Fingerabdruck des Moleküls“, erklärt Johannes »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 119 Hillbrand. „Wenn man also mißt, welche Infrarot-Frequenzen von einer Gasprobe ab - sorbiert werden, kann man ganz genau sa - gen, welche Stoffe sie enthält.“ Messungen im Mikrochip „Gerade wegen seiner Robustheit hat unser System gegenüber allen anderen Frequenzkamm-Technologien einen entscheidenden Vorteil – es ist problemlos miniaturisierbar“, sagt Benedikt Schwarz. „Wir brauchen keine Linsensysteme, keine beweglichen Teile und keine optischen Isolatoren, die nötigen Strukturen sind winzig. Man kann das gesamte Meßsystem auf einem Chip im Millimeterformat unterbringen.“ Dadurch er geben sich spektakuläre Anwendungsideen: Man könnte den Chip auf einer Drohne unterbringen und Luftschadstoffe messen. An der Wand montierte Meßchips könn - ten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könnte die Chips in medizinische Geräte einbauen, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen. Die neue Technik wurde (mit Hilfe des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien) bereits zum Patent angemeldet. „Schon jetzt sehen wir, daß andere Forschungsteams an unserem System höchst interessiert sind. Wir hoffen, daß es bald nicht nur in der akademischen Forschung, sondern auch in Alltagsanwendungen eingesetzt wird“, sagt Benedikt Schwarz. n https://www.tuwien.ac.at/
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Seite 73 und 74: Fotos: BKA / Andy Wenzel ÖSTERREIC
Seite 77 und 78: Fotos: BKA / Dragan Tatic ÖSTERREI
Seite 83 und 84: Foto: Bgld. Landesmedienservice ÖS
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