Grundlagen

Grundlagen der Metrologie

© AEI
Grundlagenforschung für hochpräzise Metrologie

Der Forschungsbereich A „Grundlagen der Metrologie“ besteht aus fünf Forschungseinheiten, die die theoretischen, konzeptionellen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen für Anwendungen in der Messtechnik und der Grundlagenphysik legen. Untersucht werden fundamentale und zentrale Eigenschaften von Licht, Materie und ihren Wechselwirkungen.

Grundlagenforschung für hochpräzise Metrologie

Der Forschungsbereich A „Grundlagen der Metrologie“ besteht aus fünf Forschungseinheiten, die die theoretischen, konzeptionellen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen für Anwendungen in der Messtechnik und der Grundlagenphysik legen. Untersucht werden fundamentale und zentrale Eigenschaften von Licht, Materie und ihren Wechselwirkungen.

Forschungsbereich A soll optimierte Quantensysteme aus mehreren Objekten für beispiellose Präzision schaffen und nutzen, und die Entwicklung quantenmechanisch hergestellter makroskopischer Systeme für zukünftige Quantenstandards vorantreiben. Der Forschungsbereich wird den mesoskopischen bis makroskopischen Bereich der Quanten-Optomechanik und neuartige Sensoren untersuchen und die notwendige Basistechnologie - insbesondere hochintegrierte und damit stabile Messplattformen, eine wichtige Säule für Forschung und Experimente an der Quantengrenze entwickeln.

FORSCHUNGSEINHEITEN A1-A5 / RESEARCH UNITS (RU) A1-A5

  • A1 “Quantum-Engineering of Light and Matter”
    © D.Vogl/QUEST-LFS
    Forschende in einem Quanten-Laboratorium (Quelle: D.Vogl/IQO)

    In den vergangenen zehn Jahren haben QuantumFrontiers-Forschende eine Schlüsselrolle bei der stetigen Verbesserung der Quetschung von Licht und der Realisierung von Langzeitanwendungen von gequetschtem Licht gespielt. Als Weltneuheit betreiben wir den Gravitationswellendetektor GEO600 mit einem Lasersystem, das gequetschtes Licht erzeugt und haben kürzlich 15 dB Vakuum-squeezing demonstriert, was bis heute die stärkste nicht-klassische Rauschunterdrückung ist. Das Potential der gequetschten Lichtverbesserung wurde auch in Spektroskopieexperimenten und laserbasierter Mikropartikelverfolgung lebender Zellen gezeigt. Verschränkte Quantenzustände wurden erfolgreich für die Metrologie eingesetzt und ermöglichen eine universell sichere Quanten-Verschlüsselung. Alle quantenmetrologischen Experimente und Anwendungen, die von gequetschten oder verschränkten Lichtzuständen profitieren, werden jedoch von Dekohärenzeffekten beeinflusst. Die Herausforderung beim Erreichen des vollen Potentials von gequetschtem Licht liegt in der effizienten Erzeugung von Quantenkorrelationen in einem gewünschten Frequenzband und ihrer anschließenden Implementierung in einer gegebenen Anwendung mit hoher Genauigkeit.

  • A2 “Many-Body Interacting Quantum Systems”

    QuantumFrontiers zielt auf das Design von Quantenzuständen der Materie und deren Verwendung für eine verbesserte Metrologie ab, was Tests unseres Verständnisses der fundamentalen Physik auf beispiellosem Niveau ermöglicht. QuantumFrontiers wird dies auf photonische und Festkörper-Vielteilchensysteme ausweiten und die Verbindungen zwischen diesen Feldern erkunden, einschließlich der Eigenschaften von zweidimensionalen und topologischen Materialien oder dem Bereich von Nichtgleichgewichts-Vielteilchen-Quantensystemen. Diese Forschungseinheiten schaffen Quantensysteme mit neuartigen Funktionen für die zukünftige Präzisionsmesstechnik. Die Systeme reichen von Einzelelektronen- und Photonenquellen, Quantenpunkten, ultrakalten Molekülen, kohärenten atomaren Ensembles, hoch geladenen und molekularen Ionen bis zu Quanten-degenerierten Gasen. Sie eröffnen Möglichkeiten für die Manipulation von Licht unter der Wellenlänge, Bottom-up-Metrologie mit einzelnen Quantensystemen und Interferometrie mit starken nicht-klassischen Korrelationen.

    Optischer Aufbau zur Präparation des Laserlichts für eine doppelte magneto-optische Falle für die Elemente Rubidium und Kalium. Foto: Oliver Topic Optischer Aufbau zur Präparation des Laserlichts für eine doppelte magneto-optische Falle für die Elemente Rubidium und Kalium. Foto: Oliver Topic Optischer Aufbau zur Präparation des Laserlichts für eine doppelte magneto-optische Falle für die Elemente Rubidium und Kalium. Foto: Oliver Topic
    Optischer Aufbau zur Präparation des Laserlichts für eine doppelte magneto-optische Falle für die Elemente Rubidium und Kalium. (Quelle: O.Topic/IQO)

     

     

  • A3 “Solid-State Quantum Standards”
    Schematische Verbindung von elektrischen Einheiten und deren Zusammenhang mit Quantengrößen

    Makroskopische Quantensysteme werden eine bedeutende Rolle in allen zukünftigen Quantengeräten sowie in Ultrapräzisionsmessungen spielen, da Quanteneffekte die ultimative, stabile Referenzskala liefern, die nur auf fundamentalen Konstanten basiert. In diesem Sinne werden die internationalen Einheitssysteme, das SI-System, im Jahr 2018 geändert, um Einheiten wie Kilogramm oder Ampere auf Quanteneffekte zurückzuführen. In QuantumFrontiers treiben wir die Präzision dieser Quantenexperimente weiter voran, um unser heutiges Verständnis von Quanten-Effekten und ihre Beziehung zu den fundamentalen Konstanten testen. Darüber hinaus werden neuartige Materialien erforscht, die den Betrieb bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Parallele Elektronenpumpvorrichtungen, die sogar makroskopische "Quanten" -Ströme erzeugen, werden entwickelt, und rauscharme Einelektronenquellen werden für zukünftige Experimente verfügbar gemacht. Experimente jenseits der klassischen Rauschgrenzen werden mit nicht-klassischen Quanteneffekten wie Verschränkung zur Rauschreduktion in gequetschtem Licht für die Interferometrie oder mit einem geordneten Strom von Elektronen oder Photonen, wie sie von getakteten Einzelelektronen- oder Einzelphotonenquellen emittiert werden, getestet. Schließlich werden wir uns bemühen, diese elektrischen und photonischen Geräte durch hybride Integration in ein kompaktes Paket zu kommerzialisieren und dabei helfen, diese Technologien allgegenwärtig verfügbar zu machen.

  • A4 “Quantum optomechanics”

    Die Forschenden von QuantumFrontiers haben wegweisende Beiträge geleistet, um Quanteneffekte in optomechanischen Systemen beobachtbar zu machen. Dies beinhaltet z.B. Schemata für das Quanten-State-Engineering von mechanischen Oszillatoren und eine breite Palette von Ansätzen für Quanten-Rückwirkungs-Ausweich-Messungen. Dieses Know-how und die einzigartigen experimentellen Plattformen, die im Rahmen von QuantumFrontiers erforscht wurden, insbesondere das 10-m-Prototyp-Laserinterferometer, werden es uns ermöglichen, echtes quantenmechanisches Verhalten auf makroskopischen Skalen beobachtbar zu machen.

    Quanten-Optomechanik erforscht die Grenzen von Quanten- und klassischen Domänen. Die bietet alle notwendigen Werkzeuge, um die mechanischen Freiheitsgrade in einem gewünschten Quantenzustand zu überwachen und zu projizieren, was eines der Hauptziele des Teams von QuantumFrontiers ist. QuantumFrontiers wird die Herausforderung annehmen, eine vollständige Quantenkontrolle über optomechanische Systeme bei beispiellosen Massen- und Längenskalen zu etablieren, und solche Systeme für Präzisionsmessungen unterhalb der Standardquantengrenze und für Tests der fundamentalen Physik einsetzen.

    Illustration des Prinzips der Verschränkungserzeugung zwischen zwei Spiegeln Illustration des Prinzips der Verschränkungserzeugung zwischen zwei Spiegeln Illustration des Prinzips der Verschränkungserzeugung zwischen zwei Spiegeln
    Illustration des Prinzips der Verschränkungserzeugung zwischen zwei Spiegeln (Quelle: AEI)
  • A5 “Enabling Technologies for Atomic Quantum Systems”
    Eine Quanten-Falle in Chip-Größe (Quelle: T.Mehlstäubler/PTB)

    Skalierbare, mikrofabrizierte neutrale Atom- und Ionenfallen werden derzeit von mehreren führenden internationalen Institutionen verfolgt, da es eine höchst relevante technologische Entwicklung für zukünftige atomare Systeme darstellt. Die Forscher von QuantumFrontiers haben wesentlich zu diesem Gebiet beigetragen durch die Entwicklung von Wafer-Stack-Ionenfallen für ultrapräzise Frequenzmetrologie, Neutralteilchen-Fallen für kompakte Quantensensoren und mehrschichtige Oberflächenelektroden-Ionenfallen mit integrierter Mikrowellensteuerung. Bisher wurden vereinzelte Versuche unternommen, optische Komponenten wie Spiegel, Wellenleiter und diffraktive Optiken auf Chipfallen zu integrieren. Mit QuantumFrontiers haben wir die einzigartige Möglichkeit, die Fähigkeiten von Chipfallen durch die Kombination der Expertise unserer Forscher im Bereich Nanoengineering und Quantum Engineering zu erweitern. Dem Konsortium stehen Expertinnen und Experten mit folgender Expertise zur Verfügung:

    • Atomfallen in Chip-Größe
    • optische Nanostrukturen wie Wellenleiter und diffraktive Optiken
    • Nano-LEDs und hybride Integrationsansätzen.

    Dieser Ansatz wird durch die für die LISA-Pathfinder-Mission verwendete optische Bondtechnologie ergänzt mit der Fasertechnologie kombiniert wird, um Labor-Quantensensoren in feldbenutzbare Geräte umzuwandeln. Alle Einrichtungen, die auf verschiedene Institutionen verteilt sind, werden erstmals in einer interinstitutionellen "TrapFab" (Fallen-Fabrik) gebündelt und koordiniert.