Ultrasensitive Kaltatom-Quantensensoren für Fortschritte in der Geophysik und Informatik
Auf die Kaltatom-Technologie wird in realen Anwendungsbereichen noch nicht zurückgegriffen. Das EU-finanzierte Projekt ISENSE zielt darauf, dies über neuartige Technologien zu ändern, die in ein einzelnes System integriert sind und an einem Kaltatom-Quantensensorgerät demonstriert werden. Quantensensoren machen fortschrittliche Quanteneffekte wie Überlagerungen nutzbar, um ein ultrahohes Sensitivitätsniveau zu erreichen (, das dasjenige klassischer Geräte übertrifft). Ein Atom kann sich gleichzeitig in zwei internen Energiezuständen befinden (Überlagerung). Dies bedeutet, dass sich Atome entlang zweier Pfade von unterschiedlicher Höhe bewegen – hierdurch wird Wissenschaftlern die Herstellung ultrasensitiver Schwerkraftsensoren ermöglicht. Kaltatom-Geräte erzielen unter Anwendung von Licht-Atom-Interaktionsverfahren ein hohes Maß an Kontrolle über die Position, Geschwindigkeit und internen Zustände von Atomen. „Sobald die Atome auf einen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind, eignen sich diese ideal als Messpartikel für Quantensensoren. Die Erfassung von Zeit, Schwerkraft, Rotationen und magnetischen Feldern ist im Labor mit einer Rekord-Sensitivität demonstriert worden“, erklärt Professor Kai Bongs der University of Birmingham, UK, und Projektkoordinator des ISENSE-Projekts. „Die iSense-Technologie eröffnet das Potenzial für einen mobilen und absoluten Gravimeter mit einer höheren Sensitivität“, so Bongs weiter. Falls die Atome weiter abkühlen, werden diese zu degeneriertem Quantengas, welches potenziell in der Quanteninformatik verwendet werden kann. Auch wenn diese Technologie bereits demonstriert worden ist, führt das ISENSE-Projekt einen Schritt weiter, da alle für einen Kaltatom-Quantensensor erforderlichen Komponenten in ein mobiles System integriert werden. „Dies ist ein wichtiger Schritt für die Übertragung der Wissenschaft auf eine Vertriebstechnologie, welche Auswirkungen auf das alltägliche Leben haben kann“, so Bongs. Im Zuge von ISENSE wurde unter Verwendung von Lasern, optischer Übertragung, elektronischer Steuerung, eines Vakuums und einer energiearmen Atom-Chiptechnologie eine Kaltatom-Quantentechnologie entwickelt. Diese Technologien wurden daraufhin in ein Schwerkraftsensorgerät integriert, um deren Funktionalität zu demonstrieren. Marktübertragung Über das Projekt wurde der ISENSE-Quantensensor erfolgreich in Brüssel demonstriert. Hierdurch war es möglich, ein breiteres Interesse der Industrie für die Quantentechnologie zu schaffen. „Die Industrie hat erkannt, dass sich hierbei echte praktikable Möglichkeiten bieten. Jetzt unterstützen mehr als 70 Unternehmen den UK National Quantum Technology Hub for Sensors and Metrology, über den jetzt die weiteren Schritte hinsichtlich der Entwicklung unserer Technologie ausgeführt werden“, erklärt Bongs. Sobald ultrasensitive, mobile Schwerkraftsensorgeräte auf dem Markt verfügbar sind, könnten diese die Geophysik bspw. im Bereich der Grundwasserkartierung sowie der Bewertung von Vulkan- und Erdbebenaktivitäten, der Bewertung von Gebäudestandorten bezüglich Untergrund-Dolinen und der Lokalisierung von Untergrundleitungen revolutionieren. Derzeit kosten Grabungen zur Untersuchung von Erdlöchern und Dolinen die Wirtschaft der EU jährlich Milliarden von Euro. Die im Rahmen von ISENSE entwickelte Technologieplattform kann in jedwedem Kaltatom-Gerät verwendet werden. Hierzu zählen Quantensensoren, Quantensimulatoren, Quantenspeicher für die Quantenkommunikation und Quantencomputer. Quantensensoren stehen insbesondere im Hinblick auf die Bereiche Schwerkraft, Rotation und Magnetfelder einer marktfähigen Technologie am nächsten.
Schlüsselbegriffe
Quantensensoren, kalte Atome, Quantentechnologien, Geophysik, Schwerkraft, Sensorik
