Quantensysteme für die Messtechnik nutzen

Nichtlineare Interferometer mit verschränkten Photonenpaaren und optisch gepumpte Magnetometer mit zustandspräparierten Alkali-Atomen bilden die Grundlage für neue Messverfahren in der Spektroskopie, der Prozessanalytik und für Materialuntersuchungen.

Quantensensoren

»Quantensensorik« beschreibt die Messung physikalischer Größen unter Nutzung der besonderen Eigenschaften isolierter Quantensysteme. Dabei kann es sich um Atome in gezielt präparierten elektronischen Zuständen, um lokalisierte Zustände in Festkörpern oder um Photonen handeln, die in ihren Eigenschaften miteinander »verschränkt« sind. Quantensensoren und darauf basierende Messsysteme sind methodisch bedingt meist komplizierter im Aufbau als klassische Sensoren. Im Hinblick auf Empfindlichkeit und Messgenauigkeit können sie jedoch deutliche Vorteile bieten: Die Entwicklung von Atomuhren auf der Basis ultrakalter Atome ist dafür das bekannteste Beispiel.

Nichtlineare Interferometer mit verschränkten Photonen für die Infrarot-Messtechnik

Spektroskopische Information von Molekülen, chemischen Verbindungen und organischen Stoffen liegen häufig im mittleren Infrarot vor. In diesem Spektralbereich sind die Detektoren jedoch technologisch aufwändig und teuer, zudem benötigen sie häufig eine kryogene Kühlung. Die Erzeugung verschränkter Photonenpaare in nichtlinearen Interferometern ist ein alternativer Ansatz: Dazu nutzt man Paare, die aus einem sichtbaren und einem infraroten Photon bestehen. Die Infrarot-Photonen wechselwirken mit der Probe, im Interferometer wird die Information auf die sichtbaren Photonen übertragen und kann mit siliziumbasierten Detektoren einfacher und schneller registriert werden. Die Entwicklung nichtlinearer Interferometer von der quantenoptischen Grundlagenforschung hin zur Anwendungsdemonstration ist Teil der Arbeiten des Leitprojekts »QUILT« am Fraunhofer IPM.

Optisch gepumpte Magnetometer

Die Frequenzen optischer Übergänge in Atomen können mit sehr hoher Genauigkeit vermessen werden –  darauf basieren die neuen Generationen von Atomuhren. Voraussetzung ist auch hier, dass man die Atome kontrolliert in bestimmte (Spin-)Quantenzustände versetzt. Äußere Einflüsse können die Übergangsfrequenzen verschieben, dieser Effekt lässt sich für den Bau hochempfindlicher Quantensensoren nutzen, zum Beispiel für die Messung sehr schwacher Magnetfelder. Diese optisch gepumpten Magnetometer (OPM) mit Alkali-Atomen haben das Potenzial, die bisher verwendeten supraleitenden, aufwändig zu kühlenden Sensoren abzulösen. Fraunhofer IPM arbeitet  im Rahmen des Leitprojekts »QMag« am Einsatz der OPM für verschiedene messtechnische Fragen.

Fraunhofer-Leitprojekte

Fraunhofer stellt sich den aktuellen Herausforderungen für die deutsche Industrie. Mit den Leitprojekten setzt sie strategische Schwerpunkte, um konkrete Lösungen zum Nutzen für den Standort Deutschland zu entwickeln. Die Themen orientieren sich an den Erfordernissen der Wirtschaft. Das Ziel ist es, wissenschaftlich originäre Ideen schnell in marktfähige Produkte umzusetzen. Die beteiligten Fraunhofer-Institute bündeln ihre Kompetenzen und binden die Industriepartner frühzeitig in die Projekte ein.

Leitprojekt »QUILT«

Das Leitprojekt »QUILT« bündelt hervorragende wissenschaftliche Expertise, Technologieplattformen und große Marktkenntnis von sechs Fraunhofer-Instituten mit der wissenschaftlichen Exzellenz weltweit führender quantentechnologischer Einrichtungen.

 

Leitprojekt »QMag«

Im Fraunhofer-Leitprojekt »QMag« werden Magnetometer weiterentwickelt und für die Anwendung erprobt.