Forschung | FBH | 16-10-2018

Das Potenzial der quantenoptischen Technologien ausschöpfen

Weltweit zielen nationale und internationale Programme darauf, das herausragende Potenzial der Quantentechnologie nutzbar zu machen – für deutsche Akteure sind dies die nationale QUTEGA-Initiative sowie das europäische Quantum Technology Flagship.

Foto: schurian.com

Weltweit zielen nationale und internationale Programme darauf, das herausragende Potenzial der Quantentechnologie nutzbar zu machen – für deutsche Akteure sind dies die nationale QUTEGA-Initiative sowie das europäische Quantum Technology Flagship. Die Photonik – insbesondere die Halbleiter-Lasertechnologie – rückt dabei in den Fokus. Das Ferdinand-Braun-Institut entwickelt im Rahmen seines Joint Labs Quantum Photonic Components (früher Joint Lab Laser Metrology) mit der Humboldt-Universität zu Berlin seit vielen Jahren miniaturisierte und besonders robuste Lasermodule für den Einsatz im Weltraum. Unter anderem konnte damit im Januar 2017 weltweit erstmalig an Bord einer Höhenforschungsrakete aus einer Wolke ultra-kalter Atome ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) erzeugt werden. Die Technologie wurde in mehr als 200 Flügen im Fallturm so weiterentwickelt, dass die Anzahl der BECs während eines Fluges auf vier verdoppelt werden konnte – damit sind mehr Messungen auf einem Flug möglich. Die Basis dafür sind die leistungsfähigen und robusten FBH-Lasermodule. Das Gesamtsystem gilt nicht nur als eines der schnellsten BEC-Systeme überhaupt, seine Ergebnisse lassen sich trotz der extremen Umgebungsbedingungen mit den besten Messungen im Labor vergleichen.

Auf diesem Know-how baut der neue FBH-Forschungsbereich „Integrierte Quantentechnologie“ auf. Das Joint Lab hat eine weltweit einmalige Mikrointegrationstechnologie entwickelt, die nun weiter ausgebaut wird. So sollen nicht nur kohärente Strahlquellen entstehen, sondern ganze Baugruppen in einer für den Feld- und Raumfahrteinsatz geeigneten Technologie, wie etwa miniaturisierte Atomfallen. Auch fortschrittliche Fertigungstechnologien wie die additive Fertigung (3D-Druck) sowie die Lasermaterialbearbeitung mit Ultra-Kurzpulslasern sollen weiterentwickelt werden. Gemeinsam mit potenziellen Anwendern sollen standardisierte und nutzbare Quantensysteme entwickelt werden. Parallel ist geplant, die Aktivitäten rund um das eigentliche Halbleiter-Bauelement qualitativ auszubauen wie etwa photonisch-integrierte Schaltkreise oder Wellenleiter, mit denen verschränkte Photonen erzeugt werden können.

Langjähriges Know-how bei Lasermodulen für Weltraumanwendungen

Das FBH verfügt über umfangreiche Erfahrungen aus diversen, DLR-geförderten Verbundvorhaben, in denen komplexe mikrointegrierte Lasermodule für den Einsatz in quantenoptischen Experimenten entwickelt und realisiert wurden. Mit diesen wurden Ensembles ultra-kalter Rubidium-Atome an Bord einer Höhenforschungsrakete erzeugt. In drei Raketen-Missionen demonstrierte das FBH mit insgesamt zehn Lasermodulen erfolgreich den Einsatz seiner Technologie. Auf dieser Grundlage soll nun in einer Kooperation mit der NASA eine Apparatur entwickelt werden, die quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Atomen an Bord der internationalen Raumfahrtstation ISS ermöglicht.

Im Mai 2017 startete das erste von drei vom BMBF geförderten Pilotprojekten „Optische Einzelionenuhr für Anwender (optIclock)“, an dem auch das FBH beteiligt ist. Im Projekt soll eine neue Generation von kompakten optischen Atomuhren erforscht und ein Demonstrator entwickelt werden, der auf einem einzelnen Ytterbium-Ion beruht. Diese Art von Uhr gehört zu den heute genauesten weltweit demonstrierten Frequenzstandards. Bislang können derartige Uhren nur in Speziallaboren unter exakt definierten Bedingungen betrieben werden – künftig sollen sie portabel werden. Das FBH entwickelt den dafür benötigten Laser, der den Uhrenübergang spektroskopiert.

Im Mai 2018 wurde im Rahmen des Vorhabens JoKaRUS ein weiterer FBH-Diodenlaser an Bord einer Höhenforschungsrakete erfolgreich getestet. Dieser wurde für eine hochpräzise, Jod-basierte optische Frequenzreferenz genutzt. Das dafür verwendete Diodenlaser-Modul nutzt ein MOPA-Konzept, bei dem die Strahlung eines monolithischen Master Oszillators (MO) mithilfe eines Halbleiterverstärkers (PO) nachverstärkt wird. Ein schmalbandiger Extended Cavity Diode Laser wird als MO einsetzt.

Kontakt

Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
Petra Immerz
Communications Manager
E-Mail petra.immerzfbh-berlin.de
Tel. 030 6392-2626