Mitteilungen 3 - Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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mitteilungen 3
2020
Quantentechnologie
mit Atomen und Photonen
Teil II
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Nationales Metrologieinstitut
Inhalt
Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II
■ Das neue Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ) an der PTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Nicolas Spethmann
■ Quantenlogik-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Piet O. Schmidt, Malte Niemann, Christian Ospelkaus
■ Quantenvielteilchenphysik und Quantencomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Tanja Mehlstäubler, Henning A. Fürst, Christian Ospelkaus
■ Mikrostrukturierte Ionenfallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Tanja E. Mehlstäubler, André P. Kulosa, Amado Bautista-Salvador, Alexandre Didier, Christian Ospelkaus
■ Einzelphotonenmetrologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Stefan Kück
■ Ultrasensitive magnetometry using quantum-based sensor technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Lutz Trahms
■ Quantenmetrologie mit Materiewellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Carsten Klempt, Ernst M. Rasel, Maike D. Lachmann
PTB-Innovationen
■ Ausgesuchte Technologieangebote und Erfolgsgeschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
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QUANTENTECHNOLOGIE MIT ATOMEN UND PHOTONEN II
Das neue Quantentechnologie-
Kompetenzzentrum (QTZ) an der PTB
Nicolas Spethmann1
Einführung der Quantenphysik hin zur gezielten Ausnutzung 1
Dr. Nicolas Speth-
von maßgeschneiderten Quanteneffekten und mann, Präsidialer
In den letzten Jahrzehnten hat das rasante Fort- der Kontrolle und Manipulation von einzelnen Stab/Quantentech-
nologie-Kompeten-
schreiten der technologischen Entwicklung zu Quantenteilchen – wird häufig als „2. Quanten- zzentrum QTZ und
atemberaubenden Durchbrüchen in der Quanten- revolution“ bezeichnet. Hierdurch werden neue, QUEST | Institut an
physik geführt. Insbesondere die Kontrolle über mit klassischen Methoden nicht zugängliche der PTB, E-Mail:
nicolas.speth-
einzelne Quantenobjekte und das Präparieren, Bereiche erschlossen, verbunden mit einem hohen mann@ptb.de,
Untersuchen und Manipulieren von wohldefinier- wirtschaftlichen Potenzial für neuartige Anwen- https://orcid.
ten Quanteneffekten ist hierdurch in zunehmen- dungen. Zur Hebung dieses Potenzials ist die org/0000-0002-
8983-0873
dem Maße ermöglicht worden. Diese Meilensteine Überführung der Quantentechnologie (QT) aus
der Quantenwissenschaften wurden unter ande- dem Grundlagenforschungslabor in die kommer-
rem durch einige Nobelpreise gewürdigt. Exemp- zielle und großskalige Nutzung notwendig. Diese
larisch seien hier die Laserkühlung (1997, Cohen- Aufgabe soll durch das neue QTZ in Zusammen-
Tannoudji, Philips), der Frequenzkamm (2005, arbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung
Hall, Hänsch und Glauber) und das Manipulieren unterstützt werden.
einzelner Quantensysteme (2012, Haroche und An der PTB sind Quantentechnologien im
Wineland) genannt. Rahmen der Grundbeauftragung ein großes und
Diese Entwicklung an der wissenschaftlichen vielfältiges Themenfeld, das sowohl Fragen der
Front bedeutet auch eine neue Qualität in der Grundlagenforschung als auch industrielle Anwen-
Entwicklung von Technologie. Der Übergang – dungsfälle umfasst. Beide Aspekte sind Teil der
von der Beschreibung und dem Verstehen von gesetzlichen Beauftragung der PTB. Insbesondere in Abbildung 1.1:
existierenden physikalischen Systemen mithilfe der Quantenmetrologie und bei Quantensensoren QT an der PTB
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Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
ist die PTB dabei eine weltweit führende Institution. Ein Bereich, für den bereits diverse Prototypen
Beispiele für diese Spitzenforschung sind hochge- und erste Produkte existieren, ist die Quanten-
naue Quantenstandards für elektrische Größen, kommunikation und -verschlüsselung. Die Quan-
empfindliche Sensoren für medizinische Anwen- tenkryptografie nutzt die grundlegende Eigen-
dungen, mikrostrukturierte für Quantensimulation, schaft der Quantenphysik, dass jede Beobachtung
Quantencomputer und Metrologie zur empfind- ein geeignet präpariertes Quantensystem messbar
lichen Messung von Magnetfeldern, Einzelphoto- stört. Hierdurch wird es möglich, das Abhören
nenquellen und -detektoren für die Quantenradio- eines Kommunikationskanals eindeutig feststellbar
metrie und Quantenkryptografie sowie ultrastabile und diesen damit abhörsicher zu machen. Dies
und genaue optische Uhren (Abbildung 1.1). Diese stellt einen Paradigmenwechsel im Vergleich zur
Bündelung von QT-Infrastruktur und -Expertise aktuellen Technologie dar, die zumindest prin-
unter einem Dach, in Verbindung mit exzellenter zipiell das Entschlüsseln von Kommunikation
Ausstattung und ausgezeichneten, sehr erfahrenen erlaubt, gegebenenfalls auch von gespeicherter
Wissenschaftlern zeichnet die PTB aus. Kommunikation in der Zukunft. Für die Quanten-
kommunikation ist in vielen Fällen das Arbeiten
Themenfelder der QT für die Wirtschaft mit einzelnen Photonen notwendig. Hierfür ist die
entsprechende Metrologie zur Charakterisierung
Mögliche Anwendungen der QT in der Wirt- von Einzelphotonenquellen und -detektoren
schaft der Zukunft decken einen weiten Bereich und allen weiteren Komponenten eines solchen
von Themenfeldern ab. Dabei sind die möglichen Systems zwingend erforderlich, um eine nach-
Anwendungen oft durch ein großes Potenzial für weisbar „quantensichere“ Kommunikation zu
qualitativ und quantitativ neue Möglichkeiten gewährleisten. Hier bietet die PTB Expertise in der
gekennzeichnet, die zu disruptiven Entwicklun- Einzelphotonenmetrologie (siehe Einzelphotonen-
gen in unserer Ökonomie und Gesellschaft führen metrologie in diesem Heft).
können. Quantensensoren erlauben durch das gezielte
Quantencomputer bieten ein großes Potenzial, Ausnutzen von Quanteneffekten und durch die
bestimmte Probleme in deutlich kürzerer Zeit zu typischerweise ausgezeichnete Kontrolle über das
lösen, als dies auf klassischen Computern möglich zugrundeliegende Quantensystem neue Anwen-
wäre. Die Auswirkungen reichen hier von einem dungen mit bisher nicht realisierbaren Möglich-
ganz neuen Ansatz für Optimierungsprobleme bis keiten. Oft bieten diese Systeme die Perspektive für
zur Überwindung von klassischen Verschlüsse- eine überlegene Sensitivität, die so nicht mit klas-
lungsalgorithmen, mit entsprechend weitreichen- sischen Systemen erreichbar wäre. Darüber hinaus
den Konsequenzen. Allerdings sind bis zu einem sind in vielen Bereichen völlig neue und zu klassi-
einsatzfähigen und tatsächlich effektiv nutzbaren schen Techniken komplementäre Ansätze möglich,
universellen Quantencomputer viele Fortschritte wie beispielsweise die relativistische Geodäsie
erforderlich, deren Erreichen noch nicht abseh- mithilfe von Atomuhren (siehe Quantenlogik-Spek-
bar ist. An der PTB hat die Gruppe von Christian troskopie in diesem Heft), Atominterferometrie für
Ospelkaus eine auf einer patentierten Ionenfallen- die Intertialsensorik (siehe Quantenmetrologie mit
technologie basierende, skalierbare Architektur Materiewellen in diesem Heft) und neue Möglich-
entwickelt, die sich durch die Verwendung von keiten im Bereich der Quantenmagnetfeldsensoren
Mikrowellen für Quantengatter im Gegensatz zu in der Grundlagenforschung aber auch in der
den üblichen Lasern auszeichnet (siehe Quanten- Medizintechnik (siehe Ultrasensitive magnetometry
vielteilchenphysik und Quantencomputer in diesem using quantum-based sensor technology in diesem
Heft). Heft). Ein weiteres Beispiel sind quantengenaue,
Die Quantensimulation stellt demgegenüber arbiträre Wellenformgeneratoren (siehe PTB-Mit-
durch den „Nachbau“ von spezifischen, oft kom- teilungen 3/2016), die durch die universelle Rolle
plexen Quantensystemen eine spezialisiertere elektrischer Signale in Technik und Forschung
Form zur Lösung von Problemen und der Unter- sehr großes Potenzial haben.
suchung von Quantenphänomenen dar. Hier gibt Die zentrale Idee des im Aufbau befindlichen
es eine ganze Reihe an Realisierungen und eine QTZ ist es, diese an der PTB breit aufgestellte
klare Perspektive zur Weiterentwicklung, die die und hervorragende QT-Expertise und -Infra-
Quantensimulation als Brückentechnologie zwi- struktur aufzunehmen und externe Partner aus
schen klassischen Supercomputern und universel- Industrie und Forschung zu unterstützen, diese
len Quantencomputern interessant macht. An der in Anwendungen und kommerzielle Produkte
PTB verfolgen die Gruppen von Tanja Mehlstäub- weiterzuentwickeln. Dabei soll das QTZ als
ler und Christian Ospelkaus Quantensimulationen zentrale Anlaufstelle in Sachen QT für Industrie
basierend auf Ionen, ermöglicht durch die an der und Forschung dienen und mit dem Transfer in
PTB entwickelte Ionenfallentechnologie (siehe die QT-Anwendung die Spitzenforschung an der
Mikrostrukturierte Ionenfallen in diesem Heft). PTB um wichtige Aspekte ergänzen (siehe Abbil-
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PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 1 | Das neue Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)
Industrie
Zugang zu Infrastruktur
Abteilungen
Spitzenforschung
QTZ Zugang zu Expertise
Anwendungsentwicklung
Entwicklung
Überführung Schulungen
Expertise in die Dienstleistungen
Infrastruktur
Anwendung Qualitätssicherung Abbildung 1.2:
Akademia
QTZ als zentrale
Kalibrierungen Anlaufstelle für die
QT an der PTB
dung 1.2). Dies ermöglicht es, das Expertenwissen „Geräte“, die auch von Nicht-Experten in weniger
der PTB und Ihre Rolle als nationales Metrolo- gut geschützten Umgebungen genutzt werden
gieinstitut für die Ausschöpfung des Potenzials können. Damit soll der Einsatz von bereits in
der Quantentechnologien effektiv zu nutzen, um der PTB (und anderen Forschungsinstitutionen)
optimalen gesellschaftlichen und ökonomischen etablierten QT-Komponenten (wie beispielsweise
Mehrwert zu erzeugen. Der Fokus des QTZ ist Spannungsnormalen, Quantenmagnetfeldsenso-
dabei die metrologische Begleitung, die wesentlich ren, Frequenznormalen und weiteren) im Pra-
für alle Themen der QT ist. xiseinsatz, z. B. in der raueren Umgebung eines
Industriebetriebes, ermöglicht werden. Dabei ist
Konzept und Aktionsfelder des QTZ entscheidend, dass diese Entwicklung in Zusam-
menarbeit mit Partnern geschieht. Partner mit
Die vier Hauptaktionsfelder sind in Abbildung 1.3 einem unternehmerischen Hintergrund werden
illustriert. Das QTZ soll die Entwicklung anwen- benötigt, um die Entwicklung in eine ökonomisch
derfreundlicher und robuster QT-Demonstratoren nutzbare Richtung voranzutreiben. Dadurch wird
und -Komponenten fördern, Qualität in der QT eine Kombination der komplementären Expertise
durch Dienstleistung und Zertifizierungen sicher- erreicht: Das QTZ trägt wissenschaftliches und
stellen und Anwenderplattformen bereitstellen, die technisches Fachwissen und Infrastruktur aus der
externen Partnern aus Industrie und Wissenschaft Spitzenforschung bei, der Unternehmenspartner
zugänglich sind. Darüber hinaus wird das QTZ steuert beispielsweise Wissen über Systeminteg-
praktische Schulungen und Seminare für Quanten- ration, Aspekte des Marktes, und effiziente und
technologie anbieten und Start-ups unterstützen. kosteneffektive Fertigung bei.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Vermittlung Kalibrierungen und Dienstleistungen. Eine
der Möglichkeiten und Grenzen der QT in der wichtige Voraussetzung für die kommerzielle
Öffentlichkeit. Nutzung sind verlässliche und vergleichbare
Robuste Komponenten und Technologien. Das QT-Komponenten und die Sicherstellung und
Ziel dieser Aktionsfelder ist es, die Entwicklung Zertifizierung von Spezifikationen zur Quali-
der QT von der Grundlagenforschung weiter tätssicherung. Hierfür sollen Kalibrierungen und
in Richtung Anwendung zu treiben. Hierzu entsprechende Dienstleistungen im Rahmen des
sollen vorhandene Apparaturen, die typischer- QTZ angeboten werden. Als Beispiele seien hier
weise eine enge Betreuung von Wissenschaftlern Vergleiche von Uhren und Frequenznormalen im
erfordern und sich auf einzelne Laboraufbau- Bereich besser als 10–15, von Spannungsquellen
ten unter sehr gut kontrollierten Bedingungen besser als 10–9, sowie die verlässliche Charak-
beschränken, transferiert werden in robuste und terisierung von Ionenfallen für Metrologie und
anwenderfreundliche QT-Komponenten und Quantencomputer genannt. In vielen Fällen gibt es
Aktionsfelder des QTZ
Robuste Anwender- Hands-on-
Dienstleistung
Komponenten plattformen Training
und
und und und Start-up-
Zertifizierung Abbildung 1.3:
Technologien Demonstratoren Center Hauptaktionsfelder
des QTZ
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Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
aktuell weder in Deutschland noch darüber hinaus beispielsweise erfahrene Ingenieure, die bisher
Institutionen, die diese Möglichkeiten anbieten. keine Berührungspunkte mit der Quantenphysik
Die PTB kann hier zudem als unabhängiges, nati- hatten, an die QT herangeführt werden. Hier setzt
onales Metrologieinstitut eine wichtige Vertrau- das QTZ an. Die in den Anwenderplattformen
ensbasis für die QT schaffen. Im Rahmen dieser entstehenden QT-Demonstratoren können genutzt
Aktivitäten können auch Standards für die QT werden, um Training an bewährten und laufenden
erarbeitet werden, die eine wichtige Voraussetzung Apparaturen zu bieten. Die bereits an der PTB
für zukünftige QT-Produkte im Markt darstellen. bestehenden Verbindungen zu wichtigen Akteuren
Erste Aktivitäten hierzu finden auf nationaler und aus der Industrie bieten einen ausgezeichneten
europäischer Ebene statt. All diese Aspekte sind Ausgangspunkt, um zeitnah und nach Bedarf eine
entscheidend, um eine nachhaltige und sinnvolle quantum work force auszubilden.
Entwicklung der QT für die Wirtschaft zu gewähr- Eine weitere gute Möglichkeit, das an der PTB
leisten, realistische Abschätzungen zum Potenzial vorhandene QT-Know-how in die Anwendung
der QT zu ermöglichen und auch den teilweise und den Markt zu bringen, besteht in der Anre-
überzogenen Erwartungen an die QT entgegenzu- gung und Förderung von Unternehmensgründun-
stellen. Damit wird eine belastungsfähige Basis für gen. Gerade für junge Unternehmen und Start-ups
den Weg der QT in den Markt geschaffen. besteht eine große Hürde in die QT einzusteigen,
Hands-on-Training, quantum education, da typischerweise komplexe und teure Apparatu-
quantum awareness und Unterstützung von ren erforderlich sind, die riskante Investitionen
Start-ups. Für das Heben des wirtschaftlichen erfordern. Hier können die QT-Demonstratoren
und gesellschaftlichen Potenzials der QT ist es des QTZ und die Erfahrung der PTB in der QT
entscheidend, die Menschen bei der Entfaltung der wertvolle Unterstützung liefern. Start-ups zeichnen
Möglichkeiten der QT mitzunehmen und bei der sich durch ein hohes Maß an Agilität und Flexibi-
potenziell disruptiven Entwicklung einzubinden. lität aus. Hierzu gibt es im Technologietransfer der
Dies betrifft einerseits die breite Öffentlichkeit: Es PTB langjährige Erfahrungen.
ist wichtig, das Potenzial der QT zu vermitteln und
möglichen Wahrnehmungen als „spukhaft“ oder Entstehende Infrastruktur und
„mysteriös“ entgegenzuwirken und stattdessen Anwenderplattformen im QTZ
klarzumachen, dass die QT auf harter Wissen-
schaft und ausgezeichnet etablierter Technologie Ein zentraler Bestandteil für die Verfolgung aller
basiert. Auf der anderen Seite ist auch die Ausbil- Ziele des QTZ sind die Anwenderplattformen – sie
dung an Schule und Universität und besonders in bilden wesentliche Kernkompetenzen der PTB in
der Industrie entscheidend. Technische Infrastruk- der QT ab und stellen entsprechende Apparaturen,
tur und Apparaturen allein sind nicht ausrei- Messplätze und Demonstratoren zur Verfügung.
chend – nur wenn es eine ausreichend große und Der Schwerpunkt liegt, entsprechend der Aus-
gut ausgebildete Menge an qualifiziertem Personal richtung der PTB, in der Quantenmetrologie und
gibt, kann die Umsetzung in Anwendung und Quantensensorik. Beim Aufbau dieser Messplätze
Nutzung der QT effektiv funktionieren. stehen Robustheit und Anwenderfreundlichkeit im
Die QT besitzt dabei die besondere Heraus- Vordergrund, was sie von Aufbauten zur Grund-
forderung, dass mit der Quantenphysik ein sehr lagenforschung an den Grenzen des technisch
Grundlagen-nahes Gebiet mit ingenieurstech- Umsetzbaren unterscheidet. Damit soll auch der
nischen Ansätzen verbunden werden muss, um Betrieb dieser Apparaturen durch Nicht-Experten
verlässliche, ausentwickelte und auch von Nicht- ermöglicht werden. Diese so zur relativ unkom-
Wissenschaftlern nutzbare Geräte und Kompo- plizierten Nutzung ausgelegten Messplätze sollen,
nenten zu realisieren. Eine Möglichkeit ist es, bei unterstützt von Personal und Infrastruktur der
der studentischen Grundausbildung an Univer- PTB, von externen Partnern genutzt werden
sitäten anzusetzen. So werden in jüngster Zeit an können.
einigen Universitäten bereits Quantentechnologie- Büroräume (beispielsweise im neu entstehen-
Studiengänge angeboten (Studiengang Quantum den Lummer-Pringsheim-Bau) erlauben für
Engineering der Universität des Saarlandes, diese Partner auch den längeren Aufenthalt am
Graduiertenschule Berlin School of Optical Scien- QTZ und die ausgiebige Nutzung der Anwender-
ces and Quantum Technology (BOS.QT) in Berlin plattformen. Das Ziel ist es hier, Partnern eigene
und weitere) oder entwickelt (im Rahmen des Erfahrungen in der QT zu ermöglichen, ohne dass
Exzellenzclusters QuantumFrontiers an der LUH diese selbst die Infrastruktur aufbauen müssen,
und des TUBS). Allerdings sind die so ausgebil- die gerade in der QT typischerweise sehr hohe
deten Fachkräfte erst in einigen Jahren verfügbar, Investitionen und Vorlaufszeiten verlangt. Fehlen-
sodass komplementär hierzu auch Angebote für der Kontakt und mangelnde Erfahrung mit den
die Weiterbildung von bereits im Berufsleben eingesetzten Techniken bzw. deren zeitaufwen-
stehendem Personal erforderlich sind. So können diger Aufbau stellen eine weitere Herausforde-
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PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 1 | Das neue Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)
rung für Unternehmen, insbesondere kleine und grierter elektrischer Quantenschaltungen dyna-
mittlere (KMU), dar. Gerade in einem potenziell misch voranzutreiben und damit deren Größen-,
sehr dynamischen und disruptiven Feld wie der Werte- und Frequenzbereiche zu erweitern sowie
QT kann dies ein großer und schwer aufzuholen- in enger Kooperation mit Industriepartnern die
der Nachteil in der Konkurrenzfähigkeit sein, den Bedienungsfreundlichkeit und die Automatisie-
das QTZ überbrücken helfen soll. Ein weiterer rung quantenbasierter elektrischer Messtechnik zu
wichtiger Aspekt ist es, mögliche oder erwartete verbessern.
Vorteile der QT gegenüber klassischen Lösungen Für diese Zwecke werden aktuell drei Messplätze
in der Praxis und unterstützt durch das QTZ testen bzw. QT-Demonstratoren aufgebaut, die im QTZ
und bewerten zu können. verfügbar sein werden. Josephson-Tunnelkontakte
Im Folgenden werden kurz die bisher im können eingesetzt werden als Quantenspannungs-
Rahmen des QTZ aufgenommenen Themen normale, also Spannungsreferenzen höchster
und im Aufbau befindlichen Anwenderplattfor- Genauigkeit für fundamentale und angewandte
men und QT-Demonstratoren beschrieben und metrologische Zwecke. Im QTZ wird hierfür der
konkrete Beispiele für die Ansätze und Ziele oben Messplatz „Quantenbasierte elektrische Wech-
gegeben. Die Anwenderplattformen können hier selstrommesstechnik“ beruhend auf dem Einsatz
zu allen oben beschriebenen Aktivitäten (Pfeiler) solcher Josephson-Tunnelkontaktschaltungen
beitragen und damit auf breiter Front zur Unter- eingerichtet und für die vorangehend genann-
stützung der QT genutzt werden. ten Zwecke kundenorientiert bereitgestellt. Ein
Elektrische Quantenmetrologie. Die PTB weiterer auf Josephson-Kontakten basierender
forscht und entwickelt seit vielen Jahren im Messplatz (Josephson-Messplatz) bietet Anwen-
Bereich elektrischer Quantennormale. Sie verfügt dern in Industrie und Forschung die Möglichkeit,
als weltweit einziges nationales Metrologieinstitut an rauscharmen quantenlimitierten Verstärkern
über vollständige Fertigungslinien für Supraleiter- und hochempfindlichen Detektoren für elektri-
und Halbleiter-Quantennormale sowie für elektri- sche Signale zu arbeiten. Solche Bauelemente sind
sche Quantennormale aus Graphenschichten. Die wichtig in Feldern wie beispielsweise ultrasensiti-
heutige quantenbasierte elektrische Messtechnik ven Messungen, für Quantencomputer und Quan-
deckt nur wenige elektrische Größen über enge tenkommunikation. Schließlich wird ein Messplatz
Werte- und Frequenzbereiche ab und erfordert „Widerstandsnormale“ aufgebaut mit dem Ziel
kostspielige Apparaturen, zu deren Bedienung ein der Ermöglichung von anwenderfreundlicher
tiefes Expertenwissen erforderlich ist. Die Indus- Quantenwiderstandsmetrologie unter erleichterten
trie wird jedoch mittelfristig von den intrinsischen Bedingungen, abzielend auf späteren industriellen
Vorteilen quantenbasierter elektrischer Messtech- Einsatz (elektrische Quantenmetrologie on the
nik – hochgenaue Messungen rund um die Uhr workshop floor).
ohne durch Rekalibrierung verursachte Ausfall- Ionenfallen stellen eine Schlüsseltechnologie
zeiten – nur dann profitieren können, wenn die für die QT dar. Auf Ihnen basieren aussichtsreiche
Betriebsbedingungen vereinfacht werden und die Ansätze für Quantencomputer und -simulation,
Bedienbarkeit durch Automatisierung erhöht wird. die das sehr hohe Maß an Isolation und Kontrolle
Das QTZ bietet die Möglichkeit, den Einsatz neuer über die Ionen als Qubits ausnutzen. Besonders in
Materialien zur Vereinfachung der Betriebsbedin- den USA verfolgen bereits einige Firmen die kom- Abbildung 1.4:
gungen elektrischer Quantennormale systematisch merzielle Realisierung eines einsatzfähigen univer- Am QTZ im Aufbau
befindliche Infra-
zu untersuchen und zu entwickeln. Ferner wird es sellen Quantencomputers mit großem Aufwand. struktur und QT-
das QTZ ermöglichen, die Entwicklung hochinte- Hier gibt es Initiativen sowohl von Start-ups wie Demonstratoren
Im Aufbau befindliche QT-Infrastruktur
Robuste und anwenderfreundliche QT-Metrologie und quantum enabling technology
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Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
dem 2015 gegründeten IonQ, als auch Aktivitäten einzigartige Möglichkeit für die Entwicklung der
von großen und traditionsreichen Unternehmen Ionenfallentechologie geschaffen, die einen großen
wie Honeywell. In Europa ist diese Entwicklung Standortvorteil für die deutsche und europäische
erst in jüngster Zeit zu beobachten mit der jungen Industrie darstellt.
Firma Alpine Quantum Technologies (AQT) in Quantenmetrologie für Zeit und Frequenz
Innsbruck, gegründet im Jahre 2018 von Rainer und ultrastabile Laser. Die PTB arbeitet welt-
Blatt, Thomas Monz und Peter Zoller. Ebenfalls weit führend an der Entwicklung von optischen
in Zusammenarbeit mit der Innsbruck-Gruppe Atomuhren und der dazugehörigen Peripherie,
arbeitet der Halbleiterhersteller Infineon an der wie z. B. mikrostrukturierten Atomfallen, ultra-
industriellen Herstellung von Ionenfallen. stabilen Lasern und Glasfaserstrecken für Fre-
Weiterhin eigenen sich Ionenfallen ausgezeich- quenzübertragung und transportablen optischen
net für die Frequenzmetrologie. Einerseits sind Uhren (siehe PTB-Mitteilungen 03/2018 – QT mit
hier Frequenzstandards mit allerhöchster Präzision Atomen und Photonen Vol I). Darauf aufbauend
und neue Entwicklungen, wie die Multiionenuhr, wurden im Rahmen von Transferprojekten und
möglich (siehe Mikrostrukturierte Ionenfallen in dem BMBF-Quantentechnologie-Pilotprojekt
diesem Heft). Andererseits wurde diese Technolo- „opticlock – Einzelionenuhr für Anwender“ bereits
gie erfolgreich an der PTB von einem Konsortium einzelne Komponenten wie auch ganze transpor-
von Industriepartnern und Partnern aus der For- table Uhrensysteme zusammen mit deutschen
schung im Projekt opticlock in die erste nah-kom- KMU entwickelt. Die deutsche Industrie ist aktuell
merzielle optische Atomuhr der Welt umgesetzt insbesondere im Bereich der QT-Schlüsselkom-
(siehe opticlock). ponenten (quantum-enabling technologies) aktiv,
Diese Beispiele zeigen, dass Ionenfallen bereits wie beispielsweise in der Entwicklung von Lasern
heute in Anwendungen eingesetzt werden, die und speziellen aktiven und passiven optischen
einer kommerziellen Nutzung sehr nahe sind. Elementen (siehe PTB-Mitteilungen 03/2018 – QT mit
Hierbei werden viele verschiedene Ansätze und Atomen und Photonen Vol I). Diese Komponenten
Techniken angewandt, die einen direkten Ver- bilden das Fundament für weite Bereiche der QT,
gleich sehr schwierig machen. Weiterhin gibt es und sind unersetzlich für präzise Messungen, Zeit-
keine klaren Vorgaben, auf welchen Eigenschaf- und Frequenzmetrologie, und zum Manipulieren
ten solch ein Vergleich aufbauen sollte, ganz von Quantenzuständen. Hier gibt es signifikanten
zu schweigen von Standards und Normen für Bedarf an Transfer von Systemkompetenz sowie
Ionenfallen. Für die Bereitstellung einer solchen messtechnischer Unterstützung, Validierung und
Charakterisierungs- und Vergleichsmöglichkeit Charakterisierung der Komponenten auf höchs-
ist ein hohes Maß an Expertise und Infrastruktur tem Niveau. Relevante Prozesse sind komplex und
wie auch eine unabhängige Stelle notwendig. Dies erfordern neben Expertenwissen eine aufwendige
ist der Ansatzpunkt dieser Anwenderplattform im apparative Infrastruktur. Sie können von KMU
Rahmen des QTZ, die verlässliche Charakterisie- daher nicht allein umgesetzt werden. Das QTZ
rung, Tests und Benchmarks von Ionenfallen als versetzt die PTB in die Lage, zusammen mit der
Service anbieten soll und sich dabei unter anderem Industrie die Entwicklung von zeit- und frequenz-
die Techniken, Erfahrungen und Algorithmen, basierten Komponenten voranzutreiben und damit
die seit Jahren an der PTB erfolgreich entwickelt neue Anwendungen zu erschließen. Weiterhin
werden, zunutze macht. Hierfür wird mit dieser werden Schlüsselkomponenten für Quantentechno-
Anwenderplattform eine Apparatur aufgebaut, die logien weiterentwickelt im Hinblick auf Betriebs-
für das schnelle Austauschen von Ionenfallen und festigkeit, Dauereinsatz und Nutzung durch
automatisierte, effiziente und dabei verlässliche unerfahrene Anwender, sowie die bestehende
Charakterisierungsmessungen optimiert ist. Über Messinfrastruktur und Charakterisierungsmög-
die oben geschilderten Aufgaben hinaus wird lichkeiten dieser Komponenten in Abstimmung
damit weiterhin ein „geschlossener Zyklus“ für mit der Industrie ausgebaut. Durch Validierung der
die Ionenfallenentwicklung geschaffen: Anstatt Schlüsselkomponenten, Prototypen und kommer-
Prototypen in Forschungsapparaturen so lange wie ziellen Geräten durch die PTB wird die internatio-
möglich zu nutzen, sobald sie einmal laufen (never nale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie
touch a running system), soll hier die Möglich- in diesem Bereich signifikant gestärkt.
keit genutzt werden, neue Entwicklungen und Quantenkommunikation, Quantenkryptogra-
Methoden an Ionenfallen schnell zu testen, ohne fie und Quantenradiometrie. Die PTB kalibriert
den Forschungsbetrieb an laufenden Apparaturen Einzelphoton-Detektoren, beispielsweise Single-
zu stören. Dies soll es Wissenschaftlerinnen und Photon-Avalanche-Dioden sowie supraleitende
Wissenschaftlern der PTB sowie den Industrie- Nanodrahtdetektoren mit der weltweit kleinsten
partnern ermöglichen, Ionenfallen gezielt und Messunsicherheit. Darüber hinaus entwickelt die
kontrolliert weiterzuentwickeln. Insgesamt wird PTB absolut charakterisierte Einzelphotonenquel-
damit eine in Deutschland und darüber hinaus len als neue Standardstrahlungsquellen für die
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PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 1 | Das neue Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)
Radiometrie und die Quantenkommunikation. der Supraleiter-Dünnschichttechnologien als auch
Für die flächendeckende Implementierung der in Bezug auf die zur Verfügung stehende spezielle
Quantenkommunikation und Quantenkryptogra- Messtechnik. Sie betreibt mit dem BMSR-2 (Berlin
fie ist die genaue Charakterisierung der verwende- Magnetically Shielded Room 2) ein von der Deut-
ten Quellen, Detektoren und Übertragungskanäle schen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes
eine unabdingbare Voraussetzung. Für die Ver- Gerätezentrum (2017–2020), um die quantenba-
breitung von industriellen Produkten in diesem sierte Magnetfeldmesstechnik für ultra-niedrige
Bereich ist daher eine Rückführung auf nationale Magnetfelder externen Nutzern zugänglich zu
Standards erforderlich. Das QTZ versetzt die PTB machen.
in die Lage, rückgeführte und damit zuverlässige Supraleitersensorentwicklungen wurden von der
Messungen auf den Gebieten der Quantenkom- PTB bereits im Rahmen eines Technologietrans-
munikation, Quantenkryptografie und Quanten- fers in kleinem Umfang kommerzialisiert, um der
radiometrie für Hersteller und Nutzer anzubieten. Nachfrage an entsprechenden Bauelementen und
Darüber hinaus ermöglicht es Anwendern, Kom- kompletten Systemen zu entsprechen. Mit dem
ponenten für die Quantenkryptografie zu testen im Bau befindlichen Walther-Meißner-Bau auf
und den Umgang mit ihnen in den Betriebsalltag dem PTB-Campus Berlin wird diese Infrastruktur
umzusetzen. weiter ausgebaut. Das QTZ wird einen entschei-
Damit wird das QTZ eine Weiterentwicklung denden Beitrag leisten, die Supraleitersensortech-
der Metrologie in den Bereichen Quantenkom- nologie konsequent einer breiteren, vor allem auch
munikation, Quantenkryptografie und Quanten- industriellen Nutzung, zuzuführen und KMU,
radiometrie ermöglichen, die zu einer besseren die in diesem Bereich Produkte entwickeln, zu
Charakterisierung der verwendeten Komponenten unterstützen. Eine Hürde ist hier, dass, anders als
führen wird. Auch werden neue Einzelphotonen- bei der Halbleitersensorik, die Standardisierung
quellen als Standardquellen entwickelt werden, die von technologischen Prozessen, elektronischen
die metrologischen Grundlagen für eine flächen- Parametern, Messverfahren, Kalibriervorschriften
deckende Implementierung der Quantenkommu- und anderem noch in den Kinderschuhen steckt.
nikation ermöglichen wird. (siehe Einzelphotonen- Das QTZ soll genutzt werden, um Anwendern und
metrologie in diesem Heft). Firmen entsprechende Kenntnisse, Messvorschrif-
Quantenmagnetometer. Zwei Quantentechno- ten, Handling der Sensorik usw. zu vermitteln.
logien, die sich bereits in der Anwendung befin- KMU, die in diesem Feld tätig sind oder werden
den, sind supraleitende Quanteninterferometer wollen, können sich eine sehr aufwendige Infra-
(SQUID – Superconducting Quantum Interference struktur mit Fertigungstechnik in Reinräumen,
Device) und optisch gepumpte Magnetometer magnetisch oder gegen hochfrequente Felder
(OPM) zur ultrasensitiven Magnetfeldmessung geschirmten Kabinen, Referenzsystemen, hoch-
und der empfindlichen Messung aller physika- präziser und sensitiver elektronischer Messtechnik
lischen Größen, die sich in einen magnetischen zunächst nicht leisten. Für diese Firmen stellt
Fluss wandeln lassen. So werden z. B. SQUID- das QTZ einen wertvollen Anlaufpunkt dar, um
Magnetometer schon seit Jahren erfolgreich dazu auf eine entsprechende Infrastruktur bei Bedarf
benutzt, die winzigen Magnetfelder zu messen, die zugreifen zu können und qualifizierte Beratung in
von der neuronalen Aktivität des menschlichen Anspruch zu nehmen.
Gehirns erzeugt werden (Magnetoenzephalografie, Für die praktische Nutzung ist es nicht entschei-
MEG). Weitere neue biomedizinische Analyse- dend, einen Sensorchip mit Spitzenwerten sondern
und Diagnosemethoden werden unter Nutzung ein komplettes robustes und handhabbares
dieser Quantensensoren u. a. in der PTB vorange- Messsystem in die Hand zu bekommen. Deshalb
trieben (s. a. PTB-Mitteilungen 2/2020: Metrology in müssen Kompetenzen aus den Bereichen Senso-
Medicine, p.15: „New Sensors for Biosignal Detec- relektronik, Kühltechnologien, elektromagneti-
tion“). In diesem Bereich kommt den quantenop- scher Schirmungen und peripherer Messtechnik
tik-basierten OPMs eine besondere Bedeutung zu. zusammengeführt werden. Diese Spezialkennt-
Durch ihre deutlich kleinere Bauform ermöglichen nisse werden im QTZ entwickelt, vorgehalten und
sie die Messung von Biosgnalen auf einem völlig vermittelt. (siehe Ultrasensitive magnetometry using
neuen Niveau.). quantum-based sensor technology).
Neben SQUID-Magnetometern werden in der Neue Gebäude und Räumlichkeiten für das
PTB inzwischen auch SQUID-Stromsensoren für QTZ. Als zentrale QT-Anlaufstelle und für die
die Quantenradiometrie mit Einzelphotonende- effektive Bündelung der QT an der PTB wird das
tektoren, aber auch für eine Vielzahl von Expe- QTZ sowohl in Braunschweig als auch in Berlin
rimenten im Bereich der Grundlagenforschung neue Räumlichkeiten beziehen. Insbesondere das
entwickelt und Anwendern zugänglich gemacht. Konzept der Anwenderplattformen für externe
Die PTB verfügt in diesem Bereich über eine welt- Nutzer stellt in dieser Form einen neuen Ansatz
weit einzigartige Infrastruktur sowohl im Bereich für die PTB dar, die sich auch in der Auslegung
9
Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
des neuen Gebäudes in Braunschweig widerspie- erreicht werden kann. So kann beispielsweise
gelt. So werden bereits im Konzept Büroräume für der „angewandte Teil“ der Forschung in der PTB
externer Partner für die ausgedehnte Nutzung der durch das QTZ unterstützt werden und somit eine
QT-Infrastruktur und ein Schulungs- und Semi- Entlastung bei der Grundlagenforschung erreicht
narraum vorgesehen. Die fehlende Infrastruktur werden. Auch bei Seminaren und Weiterbildungen
im Bereich der Messtechnik und Metrologie ist kann das QTZ unterstützen, beispielsweise durch
heute in vielen Feldern der Quantentechnologien Organisation und durch die neu entstehenden
ein limitierender Faktor für den erfolgreichen Räumlichkeiten. Als zentrale Anlaufstelle unter
Transfer der wissenschaftlichen Entwicklung in anderem für die Öffentlichkeit kann das QTZ
den industriellen Bereich. Diese Gebäude werden auch in diesem Aspekt unterstützend arbeiten. Ein
daher eine wichtige Säule zur Sicherstellung des weiterer Vorteil ist die Entwicklung von robus-
Erfolgs der Quantentechnologien in Deutschland ten, zuverlässigen und anwenderfreundlichen
spielen. In Braunschweig wird der neue Lummer- QT-Geräten und Komponenten, die später in der
Pringsheim-Bau (Abbildung 1.4) die meisten Mess- Forschung genutzt werden können und so helfen,
plätze der Anwenderplattformen in Braunschweig mehr Zeit und Ressourcen auf wissenschaftliche
beherbergen, in Berlin werden entsprechende (und nicht technische) Probleme verwenden zu
Räumlichkeiten im Walter-Meißner-Bau genutzt können. Darüber hinaus trägt die Umsetzung von
werden. Die Vereinigung der oben beschriebenen Ideen aus den Forschungslaboren in kommerzielle
verschiedenen Themen der QT unter einem Dach Produkte dazu bei, die eigene Forschung bekann-
soll weiterhin Synergien anregen. Bis zur Fertig- ter zu machen. Die im Rahmen des QTZ ermög-
stellung der Gebäude (2023 bzw. 2021) werden die lichten vertieften Verbindungen und Kooperati-
neuen Anwenderplattformen zunächst in beste- onen mit Industriepartnern und akademischen
henden Laboren aufgebaut. Bei Bedarf und wo es Einrichtungen bieten schließlich insbesondere für
Vorteile bringt, werden auch weiterhin bestehende jüngere PTB Mitarbeiter die Gelegenheit, sich mit
Labore und Räumlichkeiten der PTB mitgenutzt, potenziellen zukünftigen Arbeitgebern zu vernet-
und umgekehrt die Anwenderplattformen der zen und Erfahrungen in der Zusammenarbeit zu
PTB-Forschung zur Verfügung stehen. sammeln. Darüber hinaus können Ausgründungen
helfen, um an der PTB entwickelte Technologien
Ausblick marktreif zu machen.
Das wirtschaftliche Potenzial der QT spiegelt
Der Fokus des QTZ liegt bei der Unterstützung sich in diversen nationalen und internationalen
der Industrie in der QT. Gleichzeitig ist es das Programmen mit teilweise sehr großem Finanz-
Ziel, die Entwicklung des QTZ so zu betreiben, volumen wider, welche die Nutzbarmachung der
dass auch die Forschung an der PTB profitiert QT anregen sollen. In den USA wurde 2018 der
Abbildung 1.5: und ein nutzbringender Austausch zwischen Quantum Initiative Act auf den Weg gebracht,
Räumlichkeiten für
das QTZ in Braun- Transfer in die Anwendung im QTZ auf der einen Großbritannien läuft bereits seit 2014 das UK
schweig und Berlin und Grundlagenforschung auf der anderen Seite Quantum Hub Program und auf europäischer
Lummer-Pringsheim-Bau in Braunschweig Räumlichkeiten im
Unterstützung Walther-Meißner-Bau in
Berlin
Schulungsraum
QT-Demonstratoren
Büros für Nutzer
Fertigstellung Fertigstellung
Anfang 2023 2021
10PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 1 | Das neue Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ)
Ebene das Quantum Flagship (seit 2018). In
Deutschland wurden 2017 drei Pilotprojekte im
Rahmen der Qutega-Initiative gestartet. Eines
dieser Projekte, die robuste und anwenderfreund-
liche optische Atomuhr für Anwender (opticlock),
wird gerade an der PTB im Rahmen eines Kon-
sortiums aus Industrie und Forschung realisiert.
Weitere Akzente setzte 2018 das Regierungspro-
gramm im Rahmen der HighTech-Strategie 2025.
Diese Programme zeigen die Erwartung, dass die
QT in den kommenden Jahren eine dynamische
und vor allen Dingen wirtschaftliche relevante
Entwicklung nehmen wird. Verlässliche Metrologie
auf höchstem Niveau ist dabei unabdingbar für
eine solide Entwicklung der QT und gleichzeitig
Voraussetzung für die Kommerzialisierung. Hier
kann die PTB als nationales Metrologieinstitut
die Basis schaffen für den Transfer der QT in den
Markt. Das QTZ wird im Rahmen der in diesem
Artikel beschriebenen Aktivitäten das Ziel verfol-
gen, diese Entwicklung zu unterstützen und eine
verstärkende und unterstützende Rolle für die In-
dustrie zu spielen. Durch die ausgezeichnete Aus-
gangslage der PTB in der QT und in Ihrer Rolle als
unabhängige und überparteiliche Institution kann
das QTZ hier einen großen Beitrag leisten.
11Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 12
PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 2 | Quantenlogik-Spektroskopie
Quantenlogik-Spektroskopie
Piet O. Schmidt1, Malte Niemann2, Christian Ospelkaus3
Einführung rigkeiten. Zum andern wissen wir nicht, aus was 1
Prof. Dr.
dunkle Energie und dunkle Materie bestehen, Piet O. Schmidt,
Die Untersuchung von Atomen und Molekü- deren Existenz durch kosmologische Beobach- QUEST | Institut an
der PTB, Institut
len mit elektromagnetischer Strahlung hat eine tungen als gesichert gilt. Noch wissen wir nicht, für Quantenoptik,
jahrhundertealte Tradition. Angefangen von der warum es uns überhaupt gibt, da wir den Über- Leibniz Universität
Bestimmung von Elementen und Stoffverbindun- schuss an normaler Materie im Vergleich zur Hannover, E-Mail:
piet.schmidt@
gen über Flammenfärbung über die Entdeckung Antimaterie im Universum nicht erklären kön- quantummetrology.
von Spektrallinien im Spektrum der Sonne bis nen. Neben der Suche nach weiteren Teilchen und de, https://orcid.
hin zu Atomuhren basierend auf Übergängen im Wechselwirkungen an großen Beschleunigern, wie org/0000-0003-
0773-5889
Mikrowellen- oder sogar im optischen Spektral- z. B. dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, 2
Dr. Malte Niemann,
bereich hat die Spektroskopie eine wesentliche wird auch mittels hochgenauer Spektroskopie nach Institut für
Rolle bei der Entwicklung unseres Verständnisses weiteren Ungereimtheiten und Effekten sogenann- Quantenoptik,
der Natur gespielt und tut dies auch heute noch. ter „Neuer Physik“ gesucht [1]. Leibniz Universität
Hannover, E-Mail:
Hochgenaue optische Uhren mit mehr als 18 Stel- Diese und viele weitere Anwendungen der Spek- malte.niemann@
len Genauigkeit sind die genausten der Mensch- troskopie wurden erst durch die vollständige Kont- iqo.uni-hannover.
heit zur Verfügung stehenden Messgeräte [9] und rolle von einzelnen Atomen ermöglicht, manchmal de, https://orcid.
org/0000-0002-
werden in einigen Jahren die aktuelle Definition auch als „2. Quantenrevolution“ bezeichnet. Um 5267-8142
der Sekunde basierend auf einem Mikrowellen- diese Kontrolle auszuüben, müssen die untersuch- 3
Prof. Dr. Christian
übergang in Caesium-Atomen im Einheitensystem ten Atome bestimmte Eigenschaften erfüllen, wie Ospelkaus, Institut
ablösen. In der Ausgabe 03/2018 der PTB-Mittei- z. B. über einen schnellen Übergang zur Laserküh- für Quantenoptik,
Leibniz Universität
lungen wurden Anwendungen solch hochgenauer lung und Detektion besitzen. Das ist jedoch bei Hannover,
Uhren zur Messung von Höhenunterschieden in weitem nicht bei allen interessanten Spezies der QUEST | Institut
der Geodäsie diskutiert. In derselben Ausgabe Fall und schränkt die Auswahl an untersuchbaren an der PTB,
E-Mail: christian.
wurden auch andere Frequenzreferenzen, z. B. Systemen dramatisch ein. So möchte man optische ospelkaus@iqo.
basierend auf Kernübergängen in einem speziellen Uhren auf Übergängen in Atomen betreiben, die uni-hannover.
Isotop von Thorium oder elektronischen Über- besonders unempfindlich auf äußere Störungen de, https://orcid.
org/0000-0002-
gängen in hochgeladenen Ionen beschrieben, die sind. Tests fundamentaler Physik möchte man 4170-2936
sich besonders gut eignen, um unser Verständnis z. B. mit Atomen, Molekülen oder sogar Anti-
fundamentaler physikalischer Modelle zu testen. materie durchführen, die besonders empfindlich
So wissen wir, dass unsere beste Beschreibung der auf Effekte Neuer Physik sind. Ein universeller
Natur im Rahmen des sogenannten Standardmo- und sehr erfolgreicher Ansatz, die Kontrolle auf
dells der Teilchenphysik mit seinen drei funda- solche Systeme zu erweitern, ist die Quantenlogik-
mentalen Wechselwirkungen (elektromagnetische, Spektroskopie. Die Konzepte und Ideen hierfür
starke und schwache Kraft) zusammen mit Ein- kommen aus einem scheinbar ganz anderen Fach-
steins Relativitätstheorie (Gravitation) unvollstän- gebiet der Physik: der Entwicklung von Quanten-
dig sein muss. Zum einen sind die beiden Ansätze computern und Quantensimulatoren basierend
nach unserem aktuellen Wissensstand fundamen- auf gefangenen Ionen, die ganz eigene spannende
tal inkompatibel miteinander und führen z. B. bei Anwendungen im Bereich der Quantentechnologie
dem Versuch mikroskopische quantenmechani- haben und in den Beiträgen Quantenvielteilchen-
sche Effekte im Rahmen der Relativitätstheorie zu physik und Quantencomputer und Mikrostrukturierte
beschreiben zu größten mathematischen Schwie- Ionenfallen in diesem Heft beschrieben werden.
13Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
Abbildung 2.1: Für dieses Gebiet wurden effiziente Kühl- und Bewegung geändert wird. Dies wird bei der Quan-
Ablauf einer
Laserspektroskopie-
Nachweismethoden für gefangene Ionen – auch tenlogik-Spektroskopie, wie im nächsten Abschnitt
Sequenz unterschiedlicher Spezies – entwickelt, sowie beschrieben, ausgenutzt.
Techniken zur Kontrolle der Bewegung und der Ionenfallen bestehen aus einer Anordnung von
inneren (Spin-)Freiheitsgrade auf Quantenebene. Elektroden, an die Gleich- und Wechselspannun-
Diese bilden die Grundlage der Quantenlogik- gen angelegt werden, um die geladenen Teilchen
Spektroskopie mit gefangenen Ionen. In den im freien Raum einzufangen (siehe auch Beitrag
folgenden Abschnitten werden grundlegende Mikrostrukturierte Ionenfallen in diesem Heft).
Techniken der optischen Spektroskopie mit Lase- Störende Stöße mit Hintergrundgasen werden
ranregung beschrieben, in das Prinzip der Quan- vermieden, indem die Falle in eine Ultra-Hoch-
tenlogik-Spektroskopie eingeführt, sowie konkrete vakuumapparatur eingebaut wird. Häufig werden
Beispiele anhand der Al+-Uhr, der Spektroskopie die Teilchen über Photoionisation eines Neutra-
von Molekül-Ionen und (Anti-)Protonen disku- latomstrahls mittels eines Lasers im Fallenvolumen
tiert. Weiterhin werden Varianten der Technik in eingefangen. Danach besitzen sie eine Temperatur,
Form der Photonenrückstoß-Spektroskopie und die typischerweise einige hundert Kelvin über
der Detektion von kleinsten Kräften beschrieben. Raumtemperatur liegt.
Wenn im Folgenden von „Atomen“ oder „Ionen“ Danach beginnt die Spektroskopie-Sequenz wie
die Rede ist, sind damit implizit auch andere in Abbildung 2.1 dargestellt. Zuerst wird das Atom
geladene Quantenobjekte, wie Molekül-Ionen oder mittels Laserkühlung auf weniger als ein Tausends-
(Anti-)Protonen gemeint. tel Kelvin abgekühlt. Hierbei absorbiert das sich
bewegende Atom Photonen aus einem Laser, deren
Techniken der Laserspektroskopie Energie geringer ist als dem atomaren Übergang
entspricht. Die fehlende Energie kommt über die
Spektroskopie höchster Auflösung wird typischer- Doppler-Verschiebung aus der Bewegungsenergie
weise an gefangenen Atomen durchgeführt. Das der Atome und reduziert diese (Abbildung 2.1 (a)).
hat zwei große Vorteile im Vergleich zur Spekt- In einem weiteren Kühlschritt kann die kinetische
roskopie an freien Atomen (z. B. in einem Strahl Energie der Atome bis nahe an das quantenme-
oder einer Fontäne): Die Atome können für sehr chanisch mögliche Minimum reduziert werden.
lange Zeiten (bis zu mehreren Sekunden) abgefragt Danach muss der elektronische Ausgangszustand
werden und erfahren in geeigneten Fallen keinen für die Spektroskopie präpariert werden, da Atome
frequenzverschiebenden Rückstoß aufgrund der typischerweise mehrere interne Niveaus haben, die
Absorption und Emission von Photonen. Lange in externen Feldern leicht unterschiedliche Über-
Abfragezeiten ermöglichen nach dem Fourier- gangsfrequenzen haben können. Meist wird auch
Limit die Auflösung schmaler Linien, was die hierfür ein Laserstrahl mit speziell gewählter Pola-
statistische Unsicherheit der Frequenzmessung risation eingesetzt, der Übergänge in Richtung des
verbessert und damit zu kürzeren Mittelungszei- Zielzustands treibt, gefolgt von spontaner Emis-
ten zum Erreichen einer bestimmten Frequenz- sion, die eine erneute Anregung weiter in Richtung
auflösung führt. Die Absorption und Emission des Zielzustands ermöglicht (Abbildung 2.1 (b)).
von Photonen führt in freien Atomen zu einem Für diese beiden Schritte wird ein Übergang
Rückstoß, der mit einer Frequenzverschiebung benötigt, der es erlaubt Photonen mit einer Rate
von typischerweise einigen 10 kHz einhergeht von mehreren Megahertz zu streuen, was einer
und nicht in allen Fällen genau berechnet werden Lebensdauer im angeregten Zustand von nur
kann. In Fallen, in denen die Oszillationsfrequenz wenigen Nanosekunden entspricht, um das Kühlen
der Atome größer ist als diese Rückstoßenergie, ist und die Zustandspräparation möglichst schnell
der Effekt stark unterdrückt, analog zum bekann- und effizient durchzuführen.
ten Mößbauer-Effekt. In diesem sogenannten Nun ist das Atom bereit für den eigentlichen
Lamb-Dicke-Regime kann über die Frequenz des Spektroskopie-Schritt, bei dem mit einem Laser-
anregenden Lasers gesteuert werden, ob das Atom puls versucht wird, das Atom in den angeregten
nur elektronisch angeregt oder zusätzlich seine Spektroskopie-Zustand zu bringen (s. Abbildung 2.1
14PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3 2 | Quantenlogik-Spektroskopie
(c)). Hierbei ist der angeregte Zustand in der Prä- automatisch mit. Umgekehrt gilt natürlich dasselbe:
zisionsspektroskopie üblicherweise metastabil mit Die Laserkühlung auf dem Logik-Ion kühlt die
Zerfallszeiten von je nach Atom einigen Millise- Normalmoden, sodass auch das Spektroskopie-Ion
kunden bis hin zu Jahren. Hierbei ermöglichen im selben Maße kinetische Energie verliert.
lange Lebensdauern eine verbesserte Frequenzauf- Quantenmechanisch ist die Bewegung der Ionen
lösung der atomaren Resonanz. Ob die Anregung in jeder Normalmode quantisiert, sodass die
gelungen ist, kann wiederum durch Bestrahlen Energie nur in Sprüngen geändert werden kann,
des Atoms mit dem Kühllaser herausgefunden die der Oszillationsfrequenz multipliziert mit dem
werden. Da sich der Uhren- und der Kühlüber- Planck’schen Wirkungsquantum entsprechen.
gang im diskutierten Beispiel den Grundzustand Durch Laserstrahlung können nun Übergänge
teilen, leuchtet das Ion auf, wenn es sich nach dem nicht nur zwischen elektronischen Zuständen
Anregungsversuch mit dem Spektroskopie-Laser (sogenannte Träger-Übergänge), sondern auch
noch im Grundzustand befindet, oder es leuch- gleichzeitig Zuständen der Bewegung (sogenannte
tet nicht, wenn es von diesem angeregt wurde (s. Seitenband-Übergänge) angeregt werden [20]. Dies
Abbildung 2.1 (d)). Diese Sequenz wird nun ständig funktioniert nicht nur mit Laserstrahlung, sondern
wiederholt und eine Anregungswahrscheinlichkeit auch mit Mikrowellenstrahlung. Allerdings
als Funktion der Laserfrequenz ermittelt. Diese benötigt man hier aufgrund der Wellenlängen im
kann dann z. B. dazu genutzt werden, die Frequenz Bereich von Dezimetern (im Vergleich zu den hun-
des Laserlichts auf die Mitte der Resonanz des derten von Nanometern für Laserstrahlung) eine
Übergangs zu stabilisieren, wie es in optischen starke lokale Änderung des Feldes um ausreichend
Uhren der Fall ist [9]. Kraft für eine Bewegungsänderung ausüben zu
Aus der Sequenz wird ersichtlich, dass neben können [11]. Durch Anregung von Seitenbändern,
dem Spektroskopie- auch ein schneller Übergang die die Energie der Mode um jeweils ein Quant
zum Kühlen und für die Zustandspräparation verringern, kann so der Bewegungsgrundzustand
vorhanden sein muss. Für Atome, Moleküle, oder erreicht werden. Die Präparation eines Spektros-
sogar (Anti-)Protonen, die keinen solchen Über- kopie- zusammen mit einem Kühl-Ion im Bewe-
gang besitzen, hilft die Quantenlogik-Spektrosko- gungsgrundzustand stellt den Ausgangspunkt der
pie weiter. Quantenlogik-Spektroskopie dar (Abbildung 2.2
(a)). Mit einem Puls des Spektroskopie-Lasers wird
Prinzip Quantenlogik-Spektroskopie das Spektroskopie-Ion in einen Überlagerungs-
zustand aus dem Grund- und angeregten elektro-
Bei der Quantenlogik-Spektroskopie wird zusätz- nischen Zustand gebracht (Abbildung 2.2 (b)). Bei
lich zum Spektroskopie-Ion ein sogenanntes Logik- Spektroskopie an einem „normalen“ Atom würde
oder Kühl-Ion in der Falle gefangen. Letzteres man durch Einstrahlen eines Lasers auf einem
verfügt über einen schnellen Kühlübergang und schnellen Übergang nachschauen, ob die Anregung
kann mit Laser- oder Mikrowellenstrahlung kon- erfolgreich war, oder nicht. Bei der Quantenlogik-
trolliert werden. Die beiden Ionen sitzen gemein- Spektroskopie wird die elektronische Überlagerung
sam in einer Falle und sind aufgrund der starken durch einen Seitenband-Puls auf eine Bewegungs-
elektrostatischen Abstoßung wenige Mikrometer überlagerung umgeschrieben: War die ursprüng-
voneinander getrennt. Diese starke Wechselwir- liche Anregung in den elektronischen Zustand
kung zwischen den beiden Ionen führt dazu, dass erfolgreich, befindet sich das Zwei-Ionen-System
sie sich nicht mehr unabhängig voneinander bewe- nach dem Seitenbandpuls in einem angeregten
gen können. Man spricht von der Ausbildung von Bewegungszustand; war dies nicht der Fall, bleibt
Normalmoden, wie sie z. B. auch bei zwei mit einer das System im Bewegungsgrundzustand (Abbil-
Feder gekoppelten Pendel auftritt. Wird das eine dung 2.2 (c)). Ein ähnlicher Puls kann nun auf das
Ion in Bewegung versetzt, bewegt sich das andere Logik-Ion angewandt werden, um die Bewegungs-
(a) Ausgangszustand (b) Spektroskopie (c) Umschreiben (d) Umschreiben (e) Zustandsdetektion
Spektroskopie-Ion Spektr.-Ion→Bewegung Bewegung→Logik-Ion Logik-Ion
Abbildung 2.2:
Quantenlogik-Spek-
troskopie Sequenz
15Quantentechnologie mit Atomen und Photonen II PTB-Mitteilungen 130 (2020), Heft 3
überlagerung wieder zurück in eine elektronische technologie mit ähnlichen erreichbaren Linienbrei-
Überlagerung des Logik-Ions zu transferieren ten (siehe PTB-Mitteilungen 03/2018) abgestimmt
(Abbildung 2.2 (d)). Anschließend wird der Zustand ist. Nach Einsteins Relativitätstheorie gehen bewegte
des Logik-Ions detektiert, der nun ein getreues Uhren langsamer. Da diese sogenannte Zeitdilata-
Abbild des Zustands des Spektroskopie-Ions nach tionsverschiebung invers mit der Masse des Atoms
dem Einstrahlen des Spektroskopie-Laser ist (Abbil- skaliert, ist Aluminium – mit einer Massezahl von
dung 2.2 (e)). 27 das leichteste untersuchte Uhrenatom – beson-
Dieses Schema wurde von Nobelpreisträge Dave ders empfindlich auf diese Verschiebung. Daher
Wineland am NIST (National Institute of Standards wurde am QUEST-Institut der PTB ein neuartiges,
and Technology – Schwesterorganisation der PTB besonders effizientes Kühlverfahren für das Cal-
in den USA) entwickelt [19] und zum ersten Mal in cium-Kühlion entwickelt, das in der PTB im Aufbau
der Aluminium-Quantenlogik Uhr demonstriert befindlichen Al+- Quantenlogik-Uhr zum Einsatz
[12], [15]. In der Zwischenzeit sind Varianten der kommt [14]. In Abbildung 2.3 ist die Anregungs-
Technik entwickelt worden und auf andere Systeme wahrscheinlichkeit des Al+-Ions in 100 Experimen-
übertragen worden. Im Folgenden gehen wir spe- ten pro Datenpunkt als Funktion der Laserfrequenz
ziell auf die Systeme ein, die an der PTB untersucht dargestellt, ausgelesen mittels Quantenlogik-Spek-
werden. troskopie über das Ca+-Kühl-Ion. Aktuell wird an
der PTB-Uhr der Uhrenbetrieb vorbereitet und alle
Al+-Quantenlogikuhr bekannten systematischen Frequenzverschiebungen
werden untersucht und minimiert. Durch Extrapo-
Bereits seit den 1990er-Jahren wurde das Alumi- lation vorläufiger Messungen mit einem einzelnen
nium-Ion von Nobelpreisträger Hans Dehmelt Ca+-Ion liegt die zu erwartende Unsicherheit im
aufgrund seiner günstigen atomaren Eigenschaften Bereich von 10–18, die durch technische Verbesse-
vorgeschlagen. Allerdings liegt der Kühlübergang rungen weiter reduziert werden kann.
bei einer Wellenlänge von 167 nm und ist damit für Neben der PTB gibt es weltweit Aktivitäten
kommerzielle Lasersysteme nicht erreichbar. Erst zum Aufbau von Al+-Uhren. Am weitesten fort-
die Entwicklung der Quantenlogik-Spektroskopie geschritten ist die Al+-Uhr am NIST in Boulder,
ermöglichte die erste Al -Uhr, die am NIST in Boul- die Magnesium als Logik-Ion einsetzt und aktuell
+
der (Colorado, USA) entwickelt wurde. Inzwischen mit einer abgeschätzten systematischen Unsicher-
wissen wir, dass wichtige systematische Frequenz- heit von 9,4 × 10–19 den Weltrekord als genauste
Abbildung 2.3: verschiebungen aufgrund der Wechselwirkung von Uhr der Welt innehat [5]. Aufgrund dieser hohen
Frequenzabhängige Al+ mit seiner Umgebung zu den kleinsten aller Genauigkeit ist die Al+-Quantenlogik-Uhr eine von
Anregungswahr- untersuchten Spezies gehören [5]. Darunter fallen vielen Kandidaten für eine zukünftige Neudefini-
scheinlichkeit des
Al+-Uhren-Ions, Effekte wie z. B. Frequenzverschiebungen aufgrund tion der SI-Sekunde. Weitere Anwendungen der
ausgelesen mithilfe der thermischen Strahlung, der Wechselwirkung Al+-Uhr liegen in der relativistischen Geodäsie, bei
der Quantenlogik- mit elektrischen Feldgradienten und Magnetfeldern. der Höhenunterschiede über große Entfernungen
Spektroskopie über
das mitgefangene Hinzu kommt ein Uhrenübergang mit einer Linien- über optische Uhren bestimmt werden (siehe PTB-
Ca+-Kühl-Ion breite von 8 mHz, der ideal auf zukünftige Laser- Mitteilungen 03/2018). Im Bereich der Tests funda-
mentaler Physik, wie z. B. einer möglichen Variation
der Feinstrukturkonstanten oder der Nachweis von
dunkler Materie über Änderungen der Frequenz des
Uhrenübergangs in Vergleichen mit anderen Uhren,
Anregungswahrscheinlichkeit
spielt Al+ die Rolle eines hochgenauen Ankers, da
sich der Uhrenübergang in Al+ aufgrund dieser
Effekte praktisch nicht ändert.
Ganz anders verhalten sich hochgeladene Ionen,
die zu den empfindlichsten atomaren Systemen
auf eine Änderung der Feinstrukturkonstanten
bzw. dunkler Materie gelten (siehe PTB-Mitteilungen
03/2018). Daher wurde kürzlich am QUEST-Institut
der PTB in einer Kollaboration mit der Gruppe
von José Crespo vom MPIK in Heidelberg Quan-
tenlogik-Spektroskopie von hochgeladenem Ar13+
als prototypisches System demonstriert [10]. Dies
illustriert die Universalität der QLS-Methode, ganz
verschiedene Systeme für die Präzisions-Spektros-
Verstimmung von der Resonanz (kHz) kopie zugänglich zu machen.
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