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Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

Im Rahmen des BMBF-Projektes SiM4diM entwickelt die PTB zusammen mit den Firmen JCMwave und Carl Zeiss IMT sowie der Hochschule Aalen neue Verfahren zur vollständigen Modellierung mikroskopisch-bildgebender Messsysteme auf der Grundlage rigoroser Beugungsrechnungen. Ziel ist es, mit diesem „virtuellen Mikroskop“ die bildbasierte industrielle Messtechnik signifikant zu verbessern und die Unsicherheit dimensionaler Metrologie auch im industriellen Umfeld um mehr als eine Größenordnung zu verringern.

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This contribution presents experimental and simulation results of a tiltable line scanning low coherence interferometer applied for form measurement of spherical and aspherical objects with a diameter of up to 300 mm.
The region of interest is sampled by multiple annular subapertures that are realigned employing stitching algorithms based on Cartesian- and Zernike polynomial fittings.
The paper addresses common challenges in the reduction and modeling of displacement errors associated with the motion of the interferometric sensor between subaperture measurements and compares the topography deviations of the experimental results with those simulated by a Monte Carlo based model.

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Uncertainty quantification by ensemble learning is explored in terms of an application known from the field of computational optical form measurements. The application requires solving a large-scale, nonlinear inverse problem. Ensemble learning is used to extend the scope of a recently developed deep learning approach for this problem in order to provide an uncertainty quantification of the solution to the inverse problem predicted by the deep learning method. By systematically inserting out-of-distribution errors as well as noisy data, the reliability of the developed uncertainty quantification is explored. Results are encouraging and the proposed application exemplifies the ability of ensemble methods to make trustworthy predictions on the basis of high-dimensional data in a real-world context.

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The EMPIR Project “Single and entangled photon sources for quantum metrology (SEQUME)” is set to start on June 1st, 2021, for a three-year funding period. The aim of SEQUME project is to develop bright entangled photon sources based on different application-oriented platforms and to exploit high-purity single-photon sources to demonstrate the quantum advantage achieved by using these sources for specific measurements. Making single-photon and entangled-photon sources, with the required performance parameters, more readily available, would be significant for the development of quantum technologies and the advancement of quantum-enhanced measurements. At PTB, Stefan Kück, Hristina Georgieva, Franziska Hirt, Marco Lopez, Sebastian Raupach, Andreas Schell, and Pablo Tieben are involved in the project. The project is coordinated by Stefan Kück at PTB and involves 8 NMIs and 10 Universities as partners.

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The EMPIR Project “Quantum sensors for metrology based on single-atom-like device technology (QADeT)” is set to start on June 1st 2021 for a three-year funding period. The aim of the QADeT project is to realize single-atom-like systems (SALSs) in suitable materials, e.g. diamond, capable to perform nanoscale, high-sensitivity (electro-magnetic (EM) fields, temperature, stress, etc.) measurements.  Moreover, optimal methods to assess reproducibility in production and characterization of these systems and the host materials will be defined, paving the way for a standardization of the processes.

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In quantum communication systems, the precise estimation of the detector´s response to the incoming light is necessary to avoid security breaches. The typical working regime uses a free-running single-photon avalanche diode in combination with attenuated laser pulses at telecom wavelength for encoding information. We demonstrate the validity of an analytical model for this regime which considers the effects of dark counts and dead time on the measured count rate. For the purpose of gaining a better understanding of these effects, the photon detections were separated from the dark counts via a software-induced gating mechanism. The model was verified by experimental data for mean photon numbers covering three orders of magnitude as well as for laser repetition frequencies below and above the inverse dead time. Consequently, our model would be of interest for predicting the detector response not only in the field of quantum communications, but also in any other quantum physics experiment where high detection rates are needed.

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The Max-Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants, and Fundamental Symmetries holds a workshop on recent advances on Tuesday March 9th, 2021, with the following speakers:

Ichiro Ushijima (RIKEN): Transportable optical lattice clocks with 18 digit precision
Richard Lange (PTB): Improved Limits for Violations of Local Position Invariance and Local Lorentz Invariance from Atomic Clocks
Peter Micke (PTB): Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic
Matthew Anders Bohman (MPIK/RIKEN): Sympathetic Cooling of Trapped Protons
Antonia Schneider (MPIK): High-precision measurement of the hyperfine structure of 3He+ in a Penningtrap
Kathrin Kromer (MPIK): Latest results of the high-precision mass measurements with PENTATRAP
Jack Devlin (CERN/RIKEN): Constraining the coupling between axion-like dark matter and photons using an antiproton superconducting detection circuit in a cryogenic Penning trap

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Im nun abgeschlossene Projekt BiRD JRP 16NRM08 (https://www.birdproject.eu), gefördert im EU Programm EURAMET EMPIR Call 2016 – „Metrology Research for Pre‐ and Co‐normative projects“, wurden pränormative Grundlagen für solche Messgrößen erstellt, die zum optischen Erscheinungsbild von Produkten beitragen. Dies sind neben der Farbe und deren winkelabhängiger Abstrahlung auch Glanz, Sparkle und Graininess. Mit dem Begriff Sparkle wird diejenige optische Erscheinung von Oberflächen bezeichnet, die unter gerichteter Beleuchtung durch die Reflexion an punktförmigen Streuobjekten beobachtet werden kann und einen Eindruck erzeugt, der funkelndem Sternenlicht entspricht. Erzeugt wird dieser Effekt z.B. durch hochreflektive Mikropartikel, die in die Lackschickt einer Oberfläche eingearbeitet sind. Bekannte Beispiele sind Metalleffektlackierungen von Kfz. Graininess bezeichnet das Erscheinungsbild derartiger Effektpigmentoberflächen bei Bestrahlung mit diffusem Licht. Obwohl der Sparkle-Effekt weite Verbreitung in vielen Zweigen der industriellen Fertigung findet, gibt es keine normierte und allgemein akzeptierte Definition dieser Messgröße. Wenige kommerziell erhältliche Messgeräte bestimmen jeweils gerätespezifische Werte mit nicht öffentlich zugänglichen Auswertungsalgorithmen. Zur Verbesserung dieser Situation wurde im Rahmen des BiRD-Projekts die technische Arbeitsgruppe CIE JTC 12 [2] gegründet, in der die Messgrößen Sparkle und Graininess definiert und deren messtechnische Bestimmung beschrieben wird. Basierend auf diesen Festlegungen wurde erstmalig eine Vergleichsmessung zwischen vier Staatsinstituten durchgeführt, die zum einen die Überprüfung der apparativen Umsetzungen zum Ziel hatte als auch die Eignung der Messgrößendefinition untersuchte [3]. Trotz einer recht großen apparativen Variabilität wurden sehr zufriedenstellende Ergebnisse in der objektiven Bestimmung der Sparkle-Messgröße erzielt. Gleiches gilt für die Bestimmung der Messgröße Graininess mittels Kugelreflektometrie. Mit den Ergebnissen von parallel durchgeführten psycho-visuellen Untersuchungen an den verwendeten Proben war es dann möglich, die visuelle Empfindung mit den objektiv gewonnenen Ergebnissen zu vergleichen [4]. Die sehr gute Korrelation zeigt, dass die Messgrößen in geeigneter Weise definiert wurden. Hiermit liegen zum ersten Mal rückgeführte objektive Messungen und Bewertungsskalen für die Messgrößen Sparkle und Graininess vor, die als Grundlage für weiterführende Untersuchungen und Normungsaktivitäten dienen können....

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Im BxDiff JRP 18SIB03 Projekt (https://bxdiff.cmi.cz/), das im EU Programm EURAMET EMPIR Call 2018 - SI Broader Scope gefördert wird, entstehen u.a. Messplätze im Rang nationaler Normale für BTDF - (Bidirectional transmittance distribution function) und BSSRDF - (Bidirectional surface scattering distribution function) Untersuchungen. Die PTB unterstützt hierbei den Aufbau eines dezidierten BTDF Messplatzes im Rahmen eines Größtgeräts (Strategische Investition). Wesentliche Projektziele der 17 beteiligten Projektpartner aus den Bereichen der nationalen Metrologieinstitute (NMI), von Forschungs- und universitären Einrichtungen sowie Materialerstellern, ist die Schließung der messtechnischen Lücke für die erwähnten Messgrößen sowie die Ausdehnung bereits bestehender Messverfahren in bislang unzugängliche Bereiche. Zum Beispiel sollen BRDF (Bidirectional reflectance distribution function) -Messungen auch für Probengrößen im (Sub-) Millimeterbereich ermöglicht werden.

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