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.