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Heft 3: Quantentechnologie mit Atomen und Photonen Teil I

PTB-Mitteilungen 3/2018

Quantentechnologie in Deutschland und Europa

Wolfgang Ertmer

Es hat wohl kaum ein Technologiefeld in den letzten Jahren eine solche Beachtung gefunden wie das relativ junge, interdisziplinäre Gebiet der Quantentechnologien. Die Erforschung der zugrundeliegenden quantenphysikalischen Basis ist eine der ganz großen Erfolgsgeschichten des vergangenen Jahrhunderts. Gemeinsam mit der Allgemeinen Relativitätstheorie hat die quantenphysikalische Forschung unsere Auffassung von den Grundgesetzen der Natur dramatisch verändert. Die inzwischen hinlänglich als zutreffend überprüften quantenmechanischen und relativistischen Gesetzmäßigkeiten unterscheiden sich deutlich von unserer Alltagserfahrung, ja scheinen sogar im Widerspruch zu ihnen zu stehen. Auch wenn diese einzigartigen Facetten der Quantenwelt nur sehr schwer einem allgemeinen Publikum kommuniziert werden können, so bilden sie doch inzwischen – oft unbemerkt – die Grundlage für viele Schlüsseltechnologien unserer Wirtschaft. Beispiele sind hier die Halbleitertechnologie als Basis moderner Computer- und Informationstechnologien, die Lasertechnologie bzw. moderne Beleuchtungselemente basierend auf LED-Technologie oder die Magnetresonanztomographie (MRT) als unverzichtbares medizinisches Bildgebendes Verfahren. Diese Erfolgsgeschichte wird oft auch mit der ersten Quantenrevolution umschrieben. Hier spielt die Quantenphysik von Festkörpern, Lasersystemen und deren Verhalten basierend auf deren mikrophysikalischem Verhalten die wesentliche Rolle.

Ultrastabile Laser

Uwe Sterr

Mit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 steht eine Lichtquelle zur Verfügung, die im Prinzip eine fast perfekte kontinuierliche Lichtwelle aussenden kann. In der Praxis ist die Phase des Wellenzugs allerdings gestört – meist durch äußere Einflüsse, wie Vibrationen oder Temperaturfluktuationen, aber auch durch fundamentale Begrenzungen wie Quantenrauschen durch die spontane Emission von Photonen in den Laserresonator [Schawlow1958].

Im Licht eines typischen kommerziellen Lasers gerät der Wellenzug nach wenigen Mikrosekunden bis zu wenigen Millisekunden aus dem Takt. Diese sogenannte Kohärenzzeit tc entspricht einer Linienbreite Δν = 1/π ∙ tc der Strahlung von einigen kHz bis zu MHz. Wegen der Größe der Lichtgeschwindigkeit ist trotz der kurzen Kohärenzzeit die Länge des kohärenten Wellenzugs sehr groß und liegt bei 300 m bis 300 km. Das ist deutlich größer als der Wegunterschied in üblichen Interferometern und hat daher zur großen Bedeutung des Lasers für die Längenmesstechnik geführt.

Optische Uhren und ihre Anwendung in der Geodäsie

Christian Lisdat, Jürgen Müller, Piet O. Schmidt

Die Messung von Zeit durch Uhren spielt seit Jahrtausenden eine wichtige Rolle zur Strukturierung des Tagesablaufs. Mit der Weiterentwicklung von Uhren haben sich darüber hinaus immer neue Anwendungen erschlossen, wie z. B. seit dem 18. Jahrhundert durch präzise und robuste mechanischen Uhren in der Schiffsnavigation bis zur Synchronisierung von Telekommunikationsnetzwerken und der Entwicklung der Satellitennavigation mit Mikrowellen-Atomuhren seit einigen Dekaden [Jespersen1999]. Die neuste Generation von optischen Uhren ist das Ergebnis einer langjährigen Entwicklung von Quantentechnologien zur Kontrolle der Bewegung und der internen atomaren Zustände [Ludlow2015]. Sie erlauben Messungen mit bis zu 18 Stellen Genauigkeit und zählen damit zu den genausten Messgeräten überhaupt.

Das Prinzip einer Uhr besteht darin, die Anzahl der Zyklen eines periodischen Vorgangs (Referenzoszillator) ab einem bestimmten Zeitpunkt zu zählen. Als Referenzoszillator wurden in der Vergangenheit die Erdrotation (~1/86nbsp;400nbsp;s ≈nbsp;0,0nbsp;000nbsp;116nbsp;Hz), die Schwingung eines Pendels (≈1 Hz), eines Schwingquarzes (≈10nbsp;kHz) oder die Schwingung von elektromagnetischen Wellen (≈10nbsp;GHz) genutzt. Gemeinsam ist diesen, dass die Schwingungen direkt gezählt werden konnten. In Atomuhren dient als Referenz die Schwingung, die dem ungestörten Übergang zwischen zwei ausgesuchten atomaren Niveaus entspricht. Übergänge in Atomen eigenen sich deshalb besonders gut als Referenz, da alle Atome einer Sorte identisch sind und sich Atome in Fallen gut von ihrer Umgebung isolieren lassen. Daher ist die Sekunde des internationalen Einheitensystems seit 1967 definiert als „das 9 192nbsp;631nbsp;770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entspricht“ [SI2014].

Neue Frequenznormale und Tests fundamentaler Physik

André P. Kulosa, Tanja E. Mehlstäubler, Ekkehard Peik, Piet O. Schmidt, Andrey Surzhyko

Die Fortschritte, die in den letzten Jahren in der Entwicklung von optischen Uhren erzielt wurden, sind spektakulär und es scheint bei den am weitesten fortgeschrittenen Systemen auch bisher keine harte Begrenzung der erreichbaren Genauigkeit in Sicht zu sein. Dennoch, oder vielleicht auch deswegen, hat sich ein großes Interesse entwickelt, noch weitere und andersartige Ansätze für Atomuhren zu erforschen und den Kreis der untersuchten physikalischen Systeme auszuweiten. Die experimentellen Methoden der Speicherung und Laserkühlung von Atomen und Ionen sind so weit entwickelt, dass sie erfolgreich auf immer größere Gruppen von chemischen Elementen angewandt werden konnten. Bei gespeicherten Ionen ermöglicht das Gleichgewicht aus Coulomb-Abstoßung und der einschließenden Kraft einer Ionenfalle die Bildung von stabilen Strukturen unterschiedlicher Ionen, die in ihren inneren und äußeren Freiheitsgraden bis in den Quantenbereich kontrolliert und damit für Frequenzmessungen höchster Präzision verwendet werden können. Die mit einer größeren Ionenzahl erreichbare höhere Stabilität soll in der Multi-Ionen-Uhr ausgenutzt werden, die im ersten Abschnitt dieses Artikels eingeführt wird. Anschließend werden zwei physikalische Systeme mit großem Potenzial für präzise Uhren vorgestellt: hochgeladene Ionen und der Atomkern Thorium-229, der eine optische Resonanzfrequenz besitzt. Neben der Aussicht auf neue Uhren sehr hoher Genauigkeit begründen auch die Möglichkeiten für Tests fundamentaler Physik das Interesse an diesem Forschungsgebiet. Hochpräzise Frequenzvergleiche sollen genutzt werden, um nach kleinen Abweichungen von den Vorhersagen der etablierten physikalischen Theorien zu suchen, hervorgerufen von erwarteten Effekten „Neuer Physik“, wie zum Beispiel einer zeitlichen Veränderung von Naturkonstanten oder einer Kopplung der Uhren an die rätselhafte „Dunkle Materie“. Die hier vorgestellten, neuen Systeme zeichnen sich durch besonders hohe Empfindlichkeiten für solche Tests aus. Der Vergleich physikalisch möglichst unterschiedlicher Uhren erhöht die Wahrscheinlichkeit, wirklich neue Effekte nachzuweisen, und wird es erlauben, sie von experimentellen Störungen zu unterscheiden.

Aktuelles aus der OIML (Internationale Organisation für das Gesetzliche Messwesen)

Bericht über die 53. Sitzung des CIML in Hamburg

Roman Schwartz, Peter Ulbig, Susanne Ludwig

Oberstes Ziel der 1955 gegründeten Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) mit 128 Mitgliedstaaten ist es, die Vielzahl der nationalstaatlichen Rechtsvorschriften und messtechnischen Prüfungen von Messgeräten international zu harmonisieren, für die gegenseitige Anerkennung von Prüfergebissen in den Mitgliedsländern zu sorgen und damit technische Handelshemmnisse im Sinne der WTO (World Trade Organization) abzubauen. Betroffen sind viele eichpflichtige Messgeräte, wie zum Beispiel Waagen, Zapfsäulen, Gas-, Wasser- und Elektrizitätszähler, aber auch Längenmessgeräte, Geschwindigkeitsmessgeräte zur Verkehrsüberwachung und Taxameter.

Die OIML hat zurzeit 62 Mitgliedstaaten und 65 korrespondierende Mitgliedstaaten.

Die Inselrepublik Kiribati (Pazifik) ist seit diesem Jahr neues Korrespondierendes Mitglied.

PTB-Innovationen

Empfangssystem für glasfasergeführtes ultrapräzises Frequenzsignal

Eine PTB-Erfindung ermöglicht die Übertragung des Signals eines ultrastabilen Single-Frequency-Lasers über große Entfernungen in normalen Telekommunikationsglasfasern. Die Erfindung löst das Problem des Anschlusses einer großen Anzahl von Kunden an eine einzige Faserstrecke. Die Erfindung stellt zugleich einen bedeutenden Schritt zur Übertragung des Zeitsignals einer optischen Uhr dar (Atomuhr aus der Steckdose).

Kontakt:

Dr. Bernhard Smandek
Beauftragter für Technologietransfer
Telefon: +49 531 592-8303
Telefax: +49 531 592-69-8303
E-Mail: bernhard.smandek(at)ptb.de

Dr. Gesine Grosche
Arbeitsgruppe Frequenzübertragung mit Glasfasern

Impulsgeneratorschaltung mit hoher Pulswiderholrate und Synchronisation auf ein externes HF-Signal

Für vielfältige Anwendungen in der Ansteuerung von z. B. elektrooptischen Geräten, wie Diodenlasern oder Pockelszellen, werden heutzutage Pulsgeneratoren benutzt, die sehr kurze Pulse (z. B. 10 ns) und Spannungen von mehreren 10–100 Volt erzeugen. Deren Wiederholfrequenz ist derzeitig auf einige MHz begrenzt. Die neue PTB-Erfindung erhöht durch einen speziellen Schaltungsaufbau die Pulswiederholrate erheblich: Mehrere identische Pulsgeneratoren werden in einer festen Abfolge periodisch eingesetzt und durch eine separate Einheit angesteuert. Außerdem ist eine Synchronisation auf ein externes Hochfrequenz-Signal möglich, das beliebig wählbar ist und auf die Phasenlage abgestimmt werden kann.

Ansprechpartner/in:

Andreas Barthel
Innovationsmanager und Patentreferent
Telefon: +49 531 592-8307
Telefax: +49 531 592-69-8307
E-Mail: andreas.barthel(at)ptb.de

PD Dr. Tanja E. Mehlstäubler
QUEST-Institut

SQUID-basiertes Rauschthermometer zur Messung thermodynamischer Temperaturen im Tieftemperaturgebiet

Magnetfeld-Fluktuations-Thermometer (MFFT) sind SQUIDbasierte Rauschthermometer, die bei tiefen Temperaturen (typisch unterhalb von 5 K) eingesetzt werden. Sie detektieren die Fluktuationen des Magnetfeldes an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Körpers („Temperatursensor“), die mit den im Inneren fließenden, thermisch angeregten Strömen verknüpft sind. Durch den neuen, vollständig berechenbaren Sensor ist es erstmals möglich, mit dem pMFFT direkt thermodynamische Temperaturen zu messen, wodurch die sonst nötige Rückführung auf die internationalen Temperaturskalen ITS-90 und PLTS-2000 entfällt.

Ansprechpartner:

Dr. Bernhard Smandek
Beauftragter für Technologietransfer
Telefon: +49 531 592-8303
Telefax: +49 531 592-69-8303
E-Mail: bernhard.smandek(at)ptb.de

Dr. Alexander Kirste
Arbeitsgruppe Tieftemperaturskala

Herstellung von mehrlagigen Atom- und Ionenfallen

Mikrostrukturierte Neutralatom- und Ionenfallen stellen eine Plattform für Quantensensoren dar und eignen sich zur Implementierung zukünftiger Quantencomputer. Sie speichern neutrale und geladene Atome (Ionen) über ihrer Oberfläche durch inhomogene magnetische oder elektrische Felder. Forscher der PTB haben mehrere Verfahren für die Herstellung von Schicht-Strukturen entwickelt, die den hohen Anforderungen von Mehrlagen-Atomfallen gerecht werden. Auf Grundlage dieser Verfahren ist die Vielfalt in Form, Funktionalität und Einsatzszenario dieser Mikrostrukturen sehr groß.

Ansprechpartner:

Andreas Barthel
Innovationsmanager und Patentreferent
Telefon: +49 531 592-8307
Telefax: +49 531 592-69-8307
E-Mail: andreas.barthel(at)ptb.de

Dr. Amado Bautista-Salvador
Institut for Experimental Quantum Metrology (Quest)