Joint Lab Integrated Quantum Sensors

Quantentechnologien ermöglichen eine neue Generation von optischen und elektronischen Bauelementen und Systemen, die auf Quantenzuständen und deren präziser Manipulation basieren. Dies eröffnet neue Perspektiven in vielfältigen Anwendungsgebieten.

Der Schwerpunkt des Joint Lab Integrated Quantum Sensors (IQS) liegt auf der Entwicklung der nächsten Generation von Quantensensoren im Chipmaßstab für industrietaugliche Lösungen. Diese Sensoren verwenden hochpräzise Spektroskopietechniken, die bei atomaren oder molekularen Ensembles eingesetzt werden – ob bei Raumtemperatur oder nahe dem absoluten Nullpunkt, der mittels Laserkühlung und innovativen Kühlmechanismen erreicht wird. Um Geräte zur hochgenauen Messung physikalischer Größen wie Frequenz, Zeit, Trägheitskräfte sowie elektrischer und magnetischer Felder zu realisieren, werden die intrinsischen Eigenschaften quantenmechanischer Zustände und deren präzise Manipulation mit Laserlicht genutzt

  • Ein Aufbau für direkte optische Spektroskopie der 6P-Orbitale in Rubidium 85 und 87
    [+] Ein Aufbau für direkte optische Spektroskopie der 6P-Orbitale in Rubidium 85 und 87 mit einem blau/violett emittierenden 420,3 nm Diodenlaser
  • Vielseitiger Ultrahochvakuum-Aufbau
    [+] Vielseitiger Ultrahochvakuum-Aufbau zur Qualifizierung von Integrationstechnologien, elektrooptischen Komponenten und Quantensensor-Prototypen
  • Kompakter Aufbau für die gleichzeitige Spektroskopie mit türkisfarbenem und blauem Licht
    [+] Kompakter Aufbau für die gleichzeitige Spektroskopie mit türkisfarbenem (497 nm) und blauem (461 nm) Licht an einem Strontium-Atomstrahl
  • Miniaturisierte Lasersysteme und optische Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum
    [+] Miniaturisierte Lasersysteme und optische Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden. Demonstriert wurden u.a. kompakte und robuste optischen Frequenzstandard als Pfadfindertechnologie für den zukünftigen Einsatz in globalen Satellitennavigationssystemen
  • Miniaturisierte Lasersysteme und optische Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum
    [+] Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden. Demonstriert wurden u.a. kompakte und robuste optischen Frequenzstandard als Pfadfindertechnologie für den zukünftigen Einsatz in globalen Satellitennavigationssystemen
  • Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden.
    [+] Nutzlasten die für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden. Demonstriert wurden u.a. kompakte und robuste optischen Frequenzstandard als Pfadfindertechnologie für den zukünftigen Einsatz in globalen Satellitennavigationssystemen

Die Forschung und Entwicklung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Joint Lab Quantum Photonic Components (QPC) am FBH und ist strategisch auf dessen Aktivitäten abgestimmt. Gemeinsam decken die Joint Labs IQS und QPC, das insbesondere mikrointegrierte Lasermodule entwickelt, die gesamte Technologiekette von einzelnen Komponenten bis zum System ab. Die Aktivitäten umfassen die Modellierung photonischer Komponenten, die hybride Mikrointegration elektro-optischer und mechanischer Bauelemente, das Systemdesign, die Verifikation und schließlich den Betrieb des Quantensensors.

Quantensensoren sind wichtige Bausteine für zukünftige Anwendungen im Weltraum und für grundlegende wissenschaftliche Missionen, etwa für die nächste Generation globaler Satelliten-Navigationssysteme, für die Erdbeobachtung und für fundamentale Fragestellungen wie Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Gemeinsam mit der Gruppe Optische Metrologie an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) wurden mehrere Generationen miniaturisierter Lasernutzlasten und autonome, absolute optische Frequenzreferenzen für den Betrieb auf Höhenforschungsraketen entwickelt. Die aktuellen Aktivitäten des Joint Lab IQS adressieren insbesondere F&E entsprechender Technologien für den Einsatz auf Kleinsatelliten. Reduzierte Kosten, gesteigerte Performance und die Realisierung innerhalb kurzer Entwicklungszeiten prädestinieren diese Satellitenklasse für die Demonstration von Schlüsseltechnologien im Weltraum.

Zusammen mit den Aktivitäten an der HU Berlin setzt das Joint Lab IQS den Schwerpunkt auf vier Forschungsthemen

  • Atomare Systeme auf einem Chip
    • Integrierte Atomsensoren im Chipmaßstab für Anwendungen zur Frequenz- und Zeitmessung
    • Mikrofabrizierte Gaszellen und integrierte Sensorköpfe
    • Entwicklung von Turnkey-Systemen
  • Basistechnologien für atomare Quantensensoren
    • Modellierung, Simulation und Aufbau von miniaturisierten, integrierten elektro-optischen Systemen zur Manipulation von Atomen in anspruchsvollen Einsatzumgebungen
    • Entwicklung von miniaturisierten Ultrahochvakuum-Kammern
    • Entwicklung und Qualifizierung von adhäsiven Integrationstechnologien und elektro-optischen Komponenten für den Einsatz im Ultrahochvakuum
  • Entwicklung von Materiewellen-basierten Sensoren
    • Vereinfachte Konzepte für atombasierte Sensoren
    • Entwicklung von optischen Frequenzreferenzen basierend auf thermischen Atomstrahlen
    • Präzisionsspektroskopie von ultrakalten Atomen
  • Atomare Quantensysteme in Mikrogravitation
    • Experimente zur Entwicklung von Lasersystemen in µg
    • Modellierung und Simulation von atomoptischen Werkzeugen für die Präzisionssensorik
    • Grundlegende physikalische Tests mit ultrakalten Atomen in der Mikrogravitation