Mit Quantentechnologien zur globalen Kommunikation und hochpräzisen Navigation

„Wir wollen, dass Baden-Württemberg bei der Wertschöpfung mit Quantentechnologien ganz vorne mitspielt. Mit dem DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm haben wir eine wichtige Transferbrücke zwischen Forschung und Wirtschaft geschaffen und bauen das baden-württembergische Ökosystem zu Quantentechnologien international sichtbar aus. Damit ist das DLR-Institut eine wesentliche Säule im Rahmen unserer Landesstrategie, die Quantentechnologien als aussichtsreiche Zukunftstechnologie in die Anwendung zu bringen. Es unterstützt wirkungsvoll dabei, die Führungsrolle unserer Raumfahrtindustrie weiter auszubauen. Außerdem leistet es einen Beitrag dazu, dass für quantenbasierte Hard- und Softwarelösungen neue industrielle Standbeine entstehen“, sagte Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut bei ihrem Besuch in Ulm.

„Um die globale Kommunikation zunehmend sicherer zu gestalten, arbeiten Forschende beim DLR daran, Quantenkommunikation und Quantenkryptographie auf Satelliten umzusetzen. Außerdem soll die Welleneigenschaft von Materie im Weltraum untersucht und genutzt werden“, erläutert Prof. Hansjörg Dittus, Mitglied des DLR-Vorstands für Raumfahrtforschung und -technologie. „Neben zukünftigen Galileo-Satelliten soll es auch Anwendungen in der Metrologie und Geodäsie geben.“

Der DLR-Atomchip 

Eine neue Generation Atomchips entwickelt das DLR gemeinsam mit dem Institut für Quantenoptik in Hannover und der Humboldt-Universität Berlin. Die neuen Chips zeichnen sich durch eine höhere Integrationsdichte und bessere Eigenschaften im Vakuum aus. In Kombination mit einer aufwändigen Laserkühlung wird ein Magnetfeld erzeugt, um Atome unter Ausnutzung des sogenannten Zeeman-Effekts abzubremsen und einzufangen. Pieter Zeeman war 1896 der erste Physiker, der die mehrfache Aufspaltung von Spektrallinien beobachtete, die von einer, sich in einem starken Magnetfeld befindlichen Masse ausgingen. 

Dies stellt den ersten Schritt zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats dar. Um hochpräzise Materiewellen-Interferometer – zum Beispiel an Bord von Satelliten – nutzen zu können, soll die Miniaturisierung vorangetrieben werden. Basierend auf dieser neuartigen Plattform erhalten die Atomchips weitere Funktionen, die die Komplexität des Gesamtaufbaus reduzieren sollen. Dazu werden neue Chipmaterialien untersucht, wobei unter anderem die Verbesserung der optischen Qualität der Spiegelschicht für interferometrische Anwendungen im Vordergrund steht.

Compasso: Optische Uhren für die Navigation zu Land, zu Wasser und in der Luft

Satellitengestützte Navigation erfordert leistungsfähige und zuverlässige Uhren. Während aktuelle Systeme Uhrentechnologien im Mikrowellen-Bereich verwenden, bieten optische Uhren eine viel höhere Präzision, die Positionsbestimmungen deutlich verbessern. Mögliche Anwendungen bieten sich im autonomen Fahren, in der Schiffsnavigation und bei autonomen Landeanflügen von Flugzeugen.

Optische Uhren können in relativ kurzer Zeit kompakt, robust und zuverlässig entwickelt werden. Für eine Erprobung der neuen Uhrentechnologie in der Erdumlaufbahn plant das DLR die Weltraum-Mission Compasso auf der Bartolomeo-Plattform der Internationalen Raumstation (ISS).

BECCAL: Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory

BECCAL ist ein gemeinsames Projekt mit der NASA, um ultrakalte Quantengase - wie zum Beispiel Bose-Einstein-Kondensate (BEC) - unter Schwerelosigkeit zu untersuchen. BECCAL soll als Labor auf der Internationalen Raumstation ISS dienen und so möglichst vielen Wissenschaftlern erlauben, Experimente durchzuführen. Damit folgt es der aktuell auf der ISS installierten Nutzlast CAL (Cold Atom Laboratory), die von der NASA entwickelt wurde.

Ein prominentes Beispiel sind die Untersuchungen des freien Falles, denen zufolge alle Objekte im Vakuum gleich schnell fallen. Das Prinzip wurde während der Apollo-15-Mission zum Mond von David Scott demonstriert, der einen Hammer und eine Feder fallen ließ. Mit einem Bose-Einstein-Kondensat kann dieses Prinzip mit höchster Präzision untersucht werden. Dafür werden zwei verschiedene Atomarten (hier Rubidium und Kalium) gekühlt und deren Beschleunigung im Schwerefeld der Erde vermessen. Neben diesem speziellen Experiment soll BECCAL möglichst breite Forschung an und mit kalten Atomen erlauben. Innerhalb von BECCAL wurden sechs Forschungsbereiche definiert, die neben der Atominterferometrie auch andere fundamentale Fragen untersuchen sollen.