Navigation ohne GPS Vakuumkammer in Avocado-Größe: Dem Quantenkompass auf der Spur

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Am Sandia National Laboratories suchen Atomphysiker bereits seit mehreren Jahren nach einer Art der Ortsbestimmung, die unabhängig von GPS und der damit nötigen Technologie funktioniert. Auf der Jagd nach einer Art Quantenkompass gibt es neue Fortschritte zu feiern, die sich primär darum drehen, die Technologie zu schrumpfen.

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Von heute auf morgen würden sämtliche Satelliten im Erdorbit den Geist aufgeben und einfach nicht mehr funktionieren. Wie würden Sie sich dann in einer Umgebung orientieren, die Ihnen nicht vertraut ist? Wie würde das ein autonomes Fahrzeug bewerkstelligen? Natürlich gibt es Möglichkeiten zur Ortsbestimmung, ohne auf die Hilfe von GPS angewiesen zu sein.

LORAN (Long Range Navigation) war etwa ein Funknavigationssystem, das zur Navigation in der Luft- und Schifffahrt eingesetzt wurde, bevor es durch die Möglichkeiten der Satellitennavigation abgelöst wurde. Ein inertiales Navigationssystem (INS) wiederum nutzt Beschleunigungs- und Drehratensensoren, um eine inertiale Messeinheit laufend mit Daten zur räumlichen Bewegung zu versorgen, um eine geografische Position referenzlos zu bestimmen. Dieses System wird unter anderem in Luft- und Raumfahrt genutzt. Und Simultane Positionsbestimmung und Kartierung (SLAM) wird etwa in der Robotik genutzt, wenn es keine Möglichkeit gibt, die absolute Position zu bestimmen. Ein mobiler Roboter erstellt eine Karte seiner Umgebung und schätzt gleichzeitig seine Position innerhalb dieser Karte.

Einen weiteren Ansatz verfolgen die Forscher und Tüftler an den Sandia National Laboratories, denn die wollen einen präzisen Quantenkompass bauen, der kompakt ausfällt und deswegen vielfältig eingesetzt werden kann.

Darum Quantensensorik

„Die genaue Navigation wird in realen Szenarien zu einer Herausforderung, wenn keine GPS-Signale verfügbar sind“, erklärt Sandia-Wissenschaftler Jongmin Lee. Unter anderem in einem Kriegsszenario sollte die Genauigkeit der Bewegungen von Einheiten und ihrer Operationen möglichst präzise sein. Elektronische Kriegsführung hat unter anderem zum Ziel, Satellitensignale zu stören oder zu fälschen, etwa mittels terrestrischen Signalsendern wie Pseudoliten, die einen GPS-Empfänger mit falschen Daten füttern können.

Will man bei der Ortsbestimmung von Satelliten abhängig ein, bietet die Quantensensorik eine Lösung. „Indem sie sich die Prinzipien der Quantenmechanik zunutze machen, bieten diese fortschrittlichen Sensoren eine beispiellose Genauigkeit bei der Messung von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit und ermöglichen so eine präzise Navigation selbst in Gebieten, in denen kein GPS verfügbar ist“, so Lee.

In den Sandia-Laboren wird bereits seit geraumer Zeit an der Miniaturisierung solcher Quantensensoren, gewissermaßen Quantenkompasse, gewerkelt. In der Vergangenheit haben Lee und seine Kollegen bereits einige Mittel und Wege gefunden, um diverse Teile der Konstruktionen zu verkleinern. Denn für gewöhnlich ist ein Atominterferometer ein Sensorsystem, das einen kleinen Raum ausfüllt und ein vollständiger Quantenkompass – genauer gesagt eine Quanten-Inertialmesseinheit – würde sechs Atominterferometer erfordern. Sprich: sechs kleine Räume oder einen großen, je nachdem.

Eine große Vakuumpumpe mit hohem Energiebedarf wurde von den Forschern bereits auf eine Vakuumkammer in der Größe einer Avocado geschrumpft. Ebenso wurden mehrere Komponenten, die normalerweise fein säuberlich auf einem optischen Tisch angeordnet sind, zu einem einzigen Gerät zusammengefasst. Das neueste Werk der Wissenschaftler ist die Erschaffung eines neuen Modulators als Herzstück eines Lasersystems auf einem Mikrochip. „Er ist robust genug, um starken Vibrationen standzuhalten und würde ein herkömmliches Lasersystem von der Größe eines Kühlschranks ersetzen“, so die Forscher.

Der neue Modulator mit weniger Umfang und weniger Kosten

Das Sandia-Team verwendet in seinen Interferometern vier Modulatoren, um die Frequenz eines einzelnen Lasers zu verschieben und damit verschiedene Funktionen zu erfüllen. Modulatoren erzeugen jedoch häufig unerwünschte Echos, sogenannte Sidebands, die abgeschwächt werden müssen.

„Sandias trägerunterdrückter Single-Sideband-Modulator reduziert diese Sidebands um beispiellose 47,8 Dezibel – ein Maß, das häufig zur Beschreibung der Schallintensität verwendet wird, aber auch auf die Lichtintensität anwendbar ist – was zu einer fast 100.000-fachen Reduzierung führt“, erklären die Wissenschaftler. „Wir haben die Leistung im Vergleich zu dem, was auf dem Markt ist, drastisch verbessert“, so Ashok Kodigala von Sandia.

Üblicherweise kosten diese Modulatoren, wie sie mehrfach in einem Interferometer benötigt werden, über 10.000 USD. Die Miniaturisierungs-Fortschritte von Sandia erlauben auch eine Kostenreduzierung, denn durch die Verkleinerung und Umwandlung von Komponenten in Silizium-Photonen-Chips sinkt auch der Preis für Quantenkompasse. „Wir können Hunderte von Modulatoren auf einem einzigen 8-Zoll-Wafer herstellen und sogar noch mehr auf einem 12-Zoll-Wafer“, so Kodigala. Zudem lassen sich die Modulatoren wie so gut wie jeder Computer-Chip herstellen, was die Kosten in der Produktion abermals drückt.

Noch kann die Technologie nicht eingesetzt werden, doch man wolle die präzise Technik nicht nur zur Ortsbestimmung einsetzen. Die Forscher sehen Einsatzmöglichkeiten wie die Detektierung von unterirdischen Hohlräumen und Ressourcen, indem vom Quantenkompass die winzigen Veränderungen der Erdanziehungskraft aufgespürt werden. Sie sehen auch ein Potenzial für die von ihnen erfundenen optischen Komponenten, einschließlich des Modulators, für LIDAR, Quantencomputer und optische Kommunikation.

„Der große Plan des Teams – Atominterferometer in einen kompakten Quantenkompass zu verwandeln – überbrückt die Kluft zwischen der Grundlagenforschung an akademischen Einrichtungen und der kommerziellen Entwicklung in Technologieunternehmen. Ein Atominterferometer ist eine bewährte Technologie, die ein hervorragendes Werkzeug für die Navigation ohne GPS sein könnte. Die laufenden Bemühungen von Sandia zielen darauf ab, sie stabiler, einsatzfähig und kommerziell nutzbar zu machen“, erklärt das Institut. (sb)

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