Packaging für Quantensensorik Atomgravimeter: Vom Quantenlabor auf die Drohne

Atomgravimeter messen die lokale Erdbeschleunigung. Bisher benötigen solche Systeme jedoch aufwendige Optik und sind für den mobilen Einsatz nur bedingt geeignet. Im Projekt QuoGkA entwickeln das Fraunhofer IZM und Nomad Atomics deshalb eine integrierte Photonikplattform, die zentrale Komponenten des Atominterferometers auf einer wenige Zentimeter großen Glasbank vereint.

Schwerkraft ist nicht überall auf der Erde gleich stark. Lokale Unterschiede der Erdbeschleunigung können beispielsweise auf Veränderungen der Gesteinsdichte, Hohlräume oder unterirdische Wasservorkommen hinweisen. Für solche Messungen sind Atomgravimeter besonders interessant: Sie nutzen kalte Atome als Quantensensoren und ermöglichen absolute Messungen der lokalen Fallbeschleunigung mit sehr geringer Drift.

Das Prinzip basiert auf der Atominterferometrie. Rubidiumatome werden zunächst mit Lasern gekühlt und in einer magneto-optischen Falle gefangen. Bei sehr niedrigen Temperaturen lässt sich ihre Bewegung als Materiewelle beschreiben. Kurze Laserpulse teilen diese Wellen auf, lenken die beiden Teilkomponenten unterschiedlich ab und führen sie anschließend wieder zusammen. Aus der resultierenden Interferenz lässt sich eine Phasenverschiebung bestimmen, die von der lokalen Gravitationsbeschleunigung abhängt.

Für ein entsprechendes Interferometer lässt sich der Zusammenhang vereinfacht mit

Δφ = k_eff · g · T²

beschreiben. k_eff steht für den effektiven Wellenvektor der optischen Übergänge, g für die lokale Erdbeschleunigung und T für den zeitlichen Abstand der Laserpulse. Die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens entsteht aus der präzisen Steuerung der Laser-Atom-Wechselwirkung.

Genau diese Steuerung macht die Systeme bislang allerdings aufwendig. Laser, Strahlteiler, Koppler, Schalter, Fasern und die Atomzelle müssen mit hoher Präzision ausgerichtet werden. Werden die Komponenten mobil, kommen zusätzlich Vibrationen, Beschleunigungen und Lageänderungen hinzu.

Der Quantensensor wird Teil eines Gesamtsystems

Das Projekt QuoGkA – „Quantensensorik durch optische Integration für Gravimetrie mit kalten Atomen“ – setzt deshalb an einer anderen Stelle an als die reine Weiterentwicklung des Messprinzips. Das Fraunhofer IZM und das Quantentechnologieunternehmen Nomad Atomics wollen die optische Infrastruktur des Sensors grundlegend integrieren.

Das ist ein wichtiger Unterschied. Nomad Atomics hat bereits mobile Quantengravimeter mit einem Systemgewicht von rund 15 kg entwickelt. QuoGkA zielt nun auf die nächste Integrationsstufe und soll perspektivisch ein System ermöglichen, das auf einer Drohne eingesetzt werden kann.

Der eigentliche Technologiesprung liegt damit nicht darin, das Atomgravimeter kleiner zu machen. Entscheidend ist vielmehr, wie die für den Quanteneffekt erforderliche Photonik aufgebaut ist.

Glas statt Einzelkomponenten

Im Mittelpunkt steht deshalb eine hochintegrierte Glasplattform mit einer Fläche von rund 50 cm². Auf ihr werden optische Funktionen zusammengeführt, die bei konventionellen Aufbauten über zahlreiche diskrete Komponenten verteilt sind.

Herzstück sind in das Glas integrierte Single-Mode-Wellenleiter. Das Fraunhofer IZM nutzt dafür einen Ionenaustauschprozess, mit dem sich optische Wellenleiter direkt im Glas erzeugen lassen. Die Herausforderung liegt insbesondere in der Zielwellenlänge von 780 nm. Sie entspricht den für die Laser-Kühlung und Manipulation der Rubidiumatome relevanten Übergängen.

Die Technologie ist insofern bemerkenswert, da derartige Glaswellenleiter bislang vor allem für Anwendungen bei 1550 nm bekannt sind, beispielsweise in der Telekommunikation. Für QuoGkA müssen die Strukturen dagegen für die wesentlich kürzere Wellenlänge von 780 nm und zugleich für einen industriell relevanten Fertigungsprozess auf kommerziellem Dünnglas ausgelegt werden.

Auf der Glasbank befinden sich außerdem ein Multimode-Interferenzkoppler und ein Evaneszenz-Koppler zur Aufteilung der Lasersignale. Ein elektrooptischer 1-zu-n-Schalter verteilt das Licht auf vier Kanäle. Zum Einsatz kommt dabei ein elektrooptisches Polymer, das vom Start-up Hyphox entwickelt wurde.

Damit entsteht eine integrierte photonische Schaltung. Die Glasplattform übernimmt dabei eine ähnliche Funktion wie eine Leiterplatte in der Elektronik – nur dass nicht elektrische Signale, sondern präzise geführte optische Signale verarbeitet und verteilt werden.

Rubidiumzelle wird Teil der Photonik

Ein weiterer zentraler Baustein ist die Rubidium-Gaszelle. Auch sie soll nicht mehr als separates Bauteil neben der Optik stehen, sondern Bestandteil des integrierten Aufbaus werden.

Das Fraunhofer IZM entwickelt dafür eine Glaszelle, die mittels Laserschweißen hermetisch verschlossen wird. Bereits bei der Herstellung werden optische Elemente zur Strahlformung integriert. Damit reduziert sich nicht nur die Zahl der Einzelkomponenten. Auch die für ein Atominterferometer kritische optische Justage kann stärker in den Fertigungsprozess verlagert werden.

Genau hier liegt die eigentliche Bedeutung des Projekts: Es geht nicht nur um Miniaturisierung, sondern um Packaging für Quantentechnologie.

Von der Präzisionsoptik aus dem Labor zum mobilen Sensor

Für den Einsatz auf einer Drohne reicht die optische Integration allerdings allein nicht aus. Ein fliegender Sensor ist mechanischen Schwingungen, Beschleunigungen und Lageänderungen ausgesetzt. Diese können die Phasenmessung des Atominterferometers beeinflussen und müssen deshalb kompensiert oder messtechnisch berücksichtigt werden.

Die Miniaturisierung muss daher auf Systemebene funktionieren: Optik, Atomphysik, Mechanik, Elektronik und Regelungstechnik müssen zu einem robusten Gesamtsystem zusammenwachsen.

Das Projekt adressiert damit eine der zentralen Herausforderungen der Quantensensorik: Der Weg aus dem Labor führt nicht primär über noch empfindlichere Quanteneffekte, sondern über deren technische Integration.

Wenn Wellenleiter, Koppler, Schalter und Atomzelle auf einer gemeinsamen Plattform reproduzierbar gefertigt werden können, verändert sich die Architektur des Sensors grundlegend. Aus einem empfindlichen optischen Laboraufbau wird ein potenziell industriell produzierbares Sensormodul.

Das ist auch der entscheidende Schritt für neue Anwendungen. Ein kompaktes Atomgravimeter könnte künftig von Drohnen über große Flächen getragen werden und dort hochpräzise Gravitationskarten erstellen. Interessant wäre das unter anderem für geophysikalische Untersuchungen, die Rohstofferkundung oder die Suche nach Grundwasser.

QuoGkA läuft vom August 2024 bis Juli 2027 und wird im Rahmen des Berliner Förderprogramms ProFIT gefördert. Ob aus der integrierten Glasbank tatsächlich ein flugtaugliches Quantengravimeter entsteht, muss die weitere Projektarbeit zeigen. Die technologische Richtung ist jedoch klar: Quantensensorik wird dann massentauglich, wenn nicht nur der Quanteneffekt funktioniert, sondern auch sein Packaging.(kr)

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