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Ausgabe 188

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ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 188 / 05. 09. 2019 Wissenschaft & Technik Quanteninternet nimmt Gestalt an 84 Ein Team um den Innsbrucker START-Preisträger Ben Lanyon hat erstmals ein mit Materie verschränktes Lichtteilchen über ein 50 km langes Glasfaserkabel übertragen. Das Quanteninternet verspricht absolut abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke für For schung und Technologie. Weil Quanteninformation nicht kopiert werden kann, ist eine Informationsübertrag über ein klassisches Netzwerk aber nicht möglich. Die Quanteninformation muß mittels Quantenteilchen übertragen werden, und dafür braucht es spezielle Schnittstellen. An diesen wichtigen Knotenpunkten eines zukünftigen Quanteninternets forscht der Innsbrucker Experimentalphysiker Ben Lanyon, der für seine Forschungen 2015 mit dem österreichischen START-Preis ausgezeichnet wurde. Nun ist seinem Team am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein Rekord für die Übertragung von Quantenverschränkung zwischen Materie und Licht gelungen. Erstmals konnte über Glasfaserkabel eine Distanz von 50 Kilometern überwunden werden. „Das ist um zwei Größenordnungen weiter als es bisher möglich war und eine praktikable Distanz für den Bau von regionalen Quantennetzwerken“, freut sich Ben Lanyon. Foto: IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch In einem nichtlinearen Kristall wird die Wellenlänge des Photons so verändert, daß es über herkömmliche Glasfaserleitungen gesendet werden kann. Licht für Übertragung umgewandelt Lanyons Team nutzte ein in einer Ionenfalle gefangenes Kalziumatom als Ausgangspunkt für das Experiment. Mit Laserstrahlen schreiben die Forscher einen Quantenzustand in das Ion ein und regen es gleichzeitig zur Aussendung eines Photons an, in dessen Polarisation Quanteninformation gespeichert ist. Die Quantenzustände des Atoms und des Lichtteilchens werden dabei verschränkt. Die Herausforderung be - steht nun darin, das Photon durch Glasfaserkabel zu übertragen. „Denn das vom Kalziumion emittierte Photon besitzt eine Wellenlänge von 854 Nanometern und wird vom Glasfaserkabel sehr rasch absorbiert“, er - klärt Ben Lanyon. Sein Team schickt deshalb das Lichtteilchen zunächst durch einen nichtlinearen Kristall, der mit einem starken Laser angestrahlt wird. Dabei wird die Wellenlänge des Photons auf den optimalen Wert für lange Strecken umgewandelt: die aktuelle Standardwellenlänge des Telekommunikationsnetzes von 1550 Nanometern. So schicken die Innsbrucker Forscher das Photon durch eine 50 Kilometer lange Glasfaserleitung. Messungen zeigen, daß Atom und Lichtteilchen auch nach der Wellenlängenänderung und der langen Reise noch verschränkt sind. »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at Noch größere Distanzen im Blick Als nächsten Schritt zeigen Ben Lanyon und sein Team, daß ihre Methode dazu ge - eignet ist, Ionen über eine Distanz von 100 und mehr Kilometern zu verschränken. Zwei Knoten senden ein verschränktes Photon über eine Distanz von 50 Kilometern zu einer Zwischenstation, wo die Lichtteilchen so ver - messen werden, daß sie ihre Verschränkung mit den Ionen verlieren, wodurch diese wie - derum miteinander verschränkt würden. Da nun ein 100 Kilometer langer Abstand zwischen den Schnittstellen möglich ist, wäre es vorstellbar in den kommenden Jahren das weltweit erste Intercity-Licht-Materie-Quan - tennetzwerk zu bauen: Nur eine Handvoll Ionenfallensysteme würden benötigt, um beispielsweise ein Quanteninternet zwischen Innsbruck und Wien aufzubauen. Lanyons Team ist Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des Quantum Flagship der Europäischen Union. Die aktuellen Ergebnisse wurde im Nature Fachmagazin Quantum In - formation veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union. n Publikation: Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre. V. Krutyanskiy , M. Meraner, J. Schupp, V. Krcmarsky, H. Hainzer and B. P. Lanyon. npj Quantum Information 2019 DOI: 10.1038/s41534-019-0186-3 (Open Access)

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 188 / 05. 09. 2019 Wissenschaft & Technik Verunreinigtes Trinkwasser Neue Technologie der Johannes Kepler Universität Linz könnte weltweit Epidemien verhindern 85 Foto: JKU Medina Hamidovic vom Institute for Communications Engineering and RF-Systems der JKU Wenn Krankheitserreger in unser Trinkwasser kommen, kann es zu einem epidemischen Ausbruch von Krankheiten kommen. Selbst in Europa wurden im Zeitraum von 2000 bis 2013 solche Ausbrüche gemeldet: insgesamt 1.039. „Diese Zahl zeigt, daß es sich um ein weltweites Problem handelt und nicht nur auf Entwicklungsländer beschränkt ist“, sagt Medina Hamidovic vom Institute for Communications Engineering and RF-Systems der JKU. Einige Parasiten sind robust und widerstandsfähig gegen herkömmliche Wasserdesinfektionsmittel und für manche dieser Erreger wurde bis heute noch kein geeignetes Desinfektionsmittel ge - funden. Darüber hinaus sind viele dieser Krankheitserreger sehr klein (Mikrometerbereich) und können nur sehr schwer detektiert und unschädlich gemacht werden. Die JKU-Forscherin und ihre KollegInnen haben es sich zur Aufgabe gemacht, dieses Problem zu lösen. „Unsere radikale Innovation ist ein biomedizinisches System, das uns die De - tek tion und Analyse von gefährlichen Krank - heitserregern erlaubt.“ Benötigt wurde dazu ein mikrofluidisches System, mit dem sich Erreger im Wasser gut nachweisen lassen. Foto: https://www.bilderbox.com Revolutionäre Verbesserung Hamidovic kombinierte medizinisches und technisches Know-how der JKU mit dem ihres Kooperationspartners, der Heriot-Watt Universität in Schottland. Nach zweijähriger Forschungsarbeit gelang es ihr, ein mikrofluidisches System zu optimieren, das in 8 Mi - »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at nuten gefertigt werden kann und lediglich 1 Euro pro Stück kostet. Durch die kurze Fertigungszeit ist das System auch für eine Großserienproduktion geeignet. Ein Wassertropfen reicht aus, um binnen 2 bis 3 Stunden Krankheitserreger verläßlich nachzuweisen. Zum Vergleich: Herkömmliche Sy - steme weisen eine Verarbeitungszeit von mehreren Tagen auf und benötigten Hunderte Liter Wasser; die Geräte kosten zudem mehrere Tausend Euro pro Stück – für viele Entwicklungsländer nicht finanzierbar. Zu - dem müssen die Arbeitsschritte manuell überwacht werden, was die TechnikerInnen einem erhöhten Infektionsrisiko aussetzt. Das neue JKU-System läuft hingegen vollständig automatisiert ab. Industriepartner, vor allem zwei große Wasserlieferanten Groß - britanniens, werden das System nun bis En– de 2020 testen, 2021 soll ein adaptiertes System weltweit zugänglich gemacht werden. Für ihre Arbeit wurde Hamidovic für den Women in Technology Preis der USA no mi - niert. „Dieses neuartige mikrofluidische System bedeutet einen großen technologischen und medizinischen Fortschritt und wird uns helfen, neue Desinfektionsmittel zu finden und somit weitere Krankheitsausbrüche aufgrund von verunreinigtem Wasser zu verhindern“, ist Hamidovic überzeugt. n https://www.jku.at/ Dank der Erkenntnisse von Medina Hamidovic reicht ein Wassertropfen aus, um binnen 2 bis 3 Stunden Krankheitserreger verläßlich nachzuweisen.

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