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Mit Metrologie in die Zukunft

Herausforderung Quantentechnologie

Bildquelle: Adobe Stock / Mopic

Wenn die Politik mit großem Geld die Erforschung des Kleinen fördert, dann tut sie dies in der Überzeugung, damit die wirtschaftliche und gesellschaftliche Zukunft gestalten zu können. Mit diesem Kleinen sind die Objekte und Phänomene der Quantenwelt gemeint. Der Wissenschaft gelingt es in immer stärkerem Maße, in dieser Welt gezielt die Regie zu übernehmen. Die Spannbreite reicht hier von der Quantenkommunikation mit ihrer inhärent sicheren Datenübertragung über Quantencomputer für ungeahnte Rechenkapazitäten bis zu Quantensimulationen für chemische Reaktionen und Quantensensoren für die medizinische Diagnostik. Auf diesen Feldern wachsen enorme technologische Versprechen mit hohen wirtschaftlichen Potenzialen. Diese Potenziale zu heben, wird auf breiter Basis durch das von der Europäischen Kommission aufgelegte, milliardenschwere Förderprogramm „Quantum Technologies Flagship“ und darüber hinaus durch flankierende nationale Förderprogramme forciert. Gleichzeitig werden sowohl in großen und traditionsreichen Unternehmen als auch in frischen Start-Ups Entwicklungen vorangetrieben, die ganz neue, auf der Quantentechnologie (QT) basierende Produkte in den Markt bringen werden.

So wie die PTB mit ihrer Messkunst am Beginn der Quantenmechanik stand, so treibt sie jetzt die messtechnischen Möglichkeiten der Zweiten Quantenrevolution voran – mit den nächsten Generationen von Atomuhren, noch präziseren elektrischen Standards und innovativen Messmöglichkeiten in der Medizin. Die metrologischen Grundlagenarbeiten münden zugleich in technologische Anwendungen. Um diese Anwendungen für die wirtschaftliche Entwicklung der QT zugänglich zu machen, wurde kürzlich das Quantentechnologie-Kompetenzzentrum QTZ gegründet.

Nachrichten

Random-Walk-Verfahren

Die Manipulation einzelner Elektronen mit dem Ziel, Quanteneffekte nutzbar zu machen, verspricht neue Fähigkeiten und Präzision in der Elektronik. In diesen gerade durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmten Einzelelektronenschaltungen treten dennoch auch Fehler auf – im besten Fall nur sehr selten. Verständnis und Metrologie der Funktionsweise und die Genauigkeit dieser fundamentalen...

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Fresnel-Reflektor mit 25,4 mm Durchmesser in einer Edelstahlhalterung

Das Ziel der magneto-optischen Falle (MOT) ist das zuverlässige Einfangen und Kühlen von Atomen mit Laserlicht. In dem neuen PTB-Design wird eine nahezu planare Struktur mit einer achromatischen Funktionsweise kombiniert. Durch eine periodische Rückfaltung der Spiegel auf eine Ebene, analog zu dem Prinzip der Fresnel-Linse, wird eine Beobachtung des Fallenvolumens von allen Seiten ermöglicht. Die...

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Gemessene Übergangsfrequenzen der Strontium-Gitteruhr der PTB von 2010 bis 2019. Die schwarzen Balken und grauen Felder geben die zum Zeitpunkt der jeweiligen Messung durch das CIPM empfohlene Übergangsfrequenz und Unsicherheit für den Sr-Übergang als sekundäre Darstellung der Sekundeneinheit an.

Optische Uhren wie die Strontium- Gitteruhr dienen zur sekundären Darstellung der SI-Einheit Sekunde und werden als Kandidaten für eine Neudefinition der Zeiteinheit erwogen. Für einen nahtlosen Wechsel ist die Kenntnis der Strontium-Übergangsfrequenz im jetzigen, durch Cäsium-Atomuhren gegebenen System notwendig. Der Vergleich der beiden Uhrentypen im Zeitraum von 2017 bis 2019 erlaubte es nun,...

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Es klingt trivial: Eine Naturkonstante sollte immer den gleichen Wert besitzen, unabhängig davon, zu welcher Zeit oder an welchem Ort sie bestimmt wird. Auch Einsteins berühmte allgemeine Relativitätstheorie nutzt diese grundlegende Annahme, die als lokale Positionsinvarianz (LPI) bekannt ist. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters untermauern Wissenschaftler der...

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Tot oder lebendig - oder beides zugleich?

Mit einer großen Verheißung startet in Niedersachsen ein Forschungsbündnis, das nichts weniger zum Ziel hat als die Entwicklung eines Quantencomputers, der mit seiner ungeahnten Rechenleistung alle klassischen Computer in den Schatten stellen könnte. Dieses Bündnis, das sich den Namen „Quantum Valley Lower Saxony“ gegeben hat, wird mit insgesamt 25 Mio. Euro vom Land Niedersachsen und der...

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Die ZeitmesserDie Zeitmesser

Zeitgemäß: Angeregtes Atom (leuchtend) in einer optischen Uhr
Zeitgemäß: Angeregtes Atom (leuchtend) in einer optischen Uhr

Wer bei Uhren an das Verstreichen von Stunden, Minuten und Sekunden denkt, liegt nicht falsch, aber auch nur halb richtig. Denn wer Uhren hat, um die Zeit besonders gut zu messen, kann damit viel mehr tun, als nur die Uhrzeit anzugeben:

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QuantenmagnetfeldsensorenQuantenmagnetfeldsensoren

Paarweise: Elektronenpärchen tunneln durch eine Barriere in einem SQUID

Einen Sinn für Magnetfelder hat homo sapiens nicht. Als homo technicus jedoch bedient sich der Mensch einer großen Anzahl unterschiedlicher technischer Sensoren. Um etwa Magnetfelder im lebenden Organismus zu detektieren oder gezielt in der medizinischen Bildgebung einzusetzen, werden zunehmend Quanteneffekte ausgenutzt, um Informationen zu sammeln, die auf klassischem Wege unerreichbar sind.

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In die Falle gegangenIn die Falle gegangen

Gefangen: Chipkonstruktion einer Ionenfalle
Gefangen: Chipkonstruktion einer Ionenfalle

Die Entdeckung, dass die Welt quantenmechanisch tickt, ist über 100 Jahre alt. Viele technologische Anwendungen der Quantenphysik – vom Laser über die Halbleitertechnik bis zum Magnetresonanztomografen (MRT) – nehmen wir heute als selbstverständlich hin. Die jetzt aufscheinenden „Quantentechnologien der zweiten Generation“ gehen einen Schritt weiter. Sie erlangen die Kontrolle über einzelne Quantenobjekte und nutzen grundlegende Quanteneffekte gezielt aus – für technologische Innovationen von morgen und übermorgen.

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Elektrische QuantenmetrologieElektrische Quantenmetrologie

Ausgezählt: Elektronen beim Tunnelprozess in einer SET-Schaltung.
Ausgezählt: Elektronen beim Tunnelprozess in einer SET-Schaltung.

Im historischen Kontext betrachtet ist es noch nicht so lange her, dass ein Nicola Tesla ein staunendes Publikum mit kontrollierten Blitzen und geisterhaft erscheinenden Lichteffekten beeindruckte und ein Thomas Alva Edison die sich industrialisierende Welt mit seinen Erfindungen elektrifizierte. Die Entdeckung und technische Nutzbarmachung der Elektrizität nahm Ende des 19. Jahrhunderts Fahrt auf und eroberte zunehmend klassisches technisches Terrain, bis – in den späten 1940er Jahren – in den Bell Labs in New Jersey der Transistor erfunden wurde. Mit ihm bekam die Elektrizität erstmals eine quantenmechanische Ausprägung.

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Weniger Licht! Ein Schlüssel für die QuantenkryptografieWeniger Licht! Ein Schlüssel für die Quantenkryptografie

Teilchenweise: Licht als Strom einzelner Photonen
Teilchenweise: Licht als Strom einzelner Photonen

Die Ressource unserer Zeit ist die Information. Riesige Datenmengen werden gesammelt, in Computern verarbeitet und über Glasfaser, Luft oder Satellit ausgetauscht. Wir sind eingesponnen in nie abreißende Informationsflüsse, die kreuz und quer in Lichtgeschwindigkeit um den Globus jagen. Viele dieser Daten müssen auf sicherem Weg zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden, denn nicht alles, was kommuniziert wird, darf und soll im Licht der Öffentlichkeit geschehen – angefangen bei Patientendaten in der Medizin über Finanzdaten bei der Kommunikation mit und zwischen Banken bis hin zu hochsensiblen Daten aus Politik und Wirtschaft. Für alle diese Datentransfers sind abhörsichere Kommunikationsformen nötig.

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Das Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)Das Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)

Architekturskizze des QTZ-Neubaus in Braunschweig
Architekturskizze des QTZ-Neubaus in Braunschweig

An die Phänomene der Quantenwelt haben sich nur wenige (vorwiegend Physiker) gewöhnt. Die Technologien, die daraus erwachsen, sollen hingegen für alle nutzbar sein. Die PTB ergänzt daher ganz gezielt ihre Grundlagenforschung und ihre hochspezialisierten Dienstleistungen um ein anwendungsnahes Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ). Dieses Zentrum wird seit 2019 aufgebaut und wird eine wichtige Basis für die industrielle Entwicklungen der Quantentechnologie schaffen – mit besonderem Fokus auf Start-Ups sowie kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU).

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Lenkungskreis Quantentechnologie

Koordinator des Lenkungskreises Quantentechnologie:

Dr. Nicolas Spethmann
Telefon: (0531) 592-2009
Opens window for sending emailnicolas.spethmann(at)ptb.de

Mitglieder/Fachliche Ansprechpartner:

Dr. Jörn Stenger
(Mitglied des Opens internal link in current windowPräsidiums)
Telefon: (0531) 592-3000
E-Mail: joern.stenger(at)ptb.de

Hon.-Dr. Dr. Uwe Siegner
(Leiter der Opens internal link in current windowAbteilung 2 „Elektrizität“)
Telefon: (0531) 592-2010
E-Mail: uwe.siegner(at)ptb.de

Hon.-Prof. Dr. Stefan Kück
(Leiter der Opens internal link in current windowAbteilung 4 „Optik“)
Telefon: (0531) 592-2010
E-Mail: uwe.siegner(at)ptb.de

Prof. Dr. Piet Schmidt
(Leiter des Opens internal link in current windowInstituts QUEST „Institute for Experimental Quantum Metrology“)
Telefon: (0531) 592-4700
E-Mail: piet.schmidt(at)ptb.de

Prof. Dr. Mathias Richter
(Leiter der Opens internal link in current windowAbteilung 7 „Temperatur und Synchrotronstrahlung“)
Telefon: (030) 3481-7312
E-Mail: mathias.richter(at)ptb.de

Dr. Jörn Beyer
(Leiter des Opens internal link in current windowFachbereichs 7.6 „Kryosensorik“)
Telefon: (030) 3481-7379
E-Mail: joern.beyer(at)ptb.de

Prof. Dr. Tobias Schäffter
(Leiter der Opens internal link in current windowAbteilung 8 „Medizinphysik und metrologische Informationstechnik“)
Telefon: (030) 3481-7343
E-Mail: tobias.schaeffter(at)ptb.de