Forscher des Sandia National Laboratories entwickeln energiesparenden Quantensensor für Navigationssysteme

Forscher des Sandia National Laboratories haben einen Quantensensor entwickelt, der nur 5 Milliwatt Leistung benötigt, etwa ein Zweitausendstel einer Standard-LED-Glühbirne, und ein nur 420 Nanometer dickes Glasfaserkabel verwendet, das 200 Mal dünner ist als ein menschliches Haar. Die Entwicklung dieses Sensors und der damit verbundenen Technologien ebnet den Weg für den praktischen Einsatz von Quantensensortechnologie. Die heutige Welt ist bei der Navigation stark von Satellitensignalen abhängig, von App-basierten Taxis, kommerziellen Flugzeugen, Containerschiffen auf See bis hin zu militärischen Drohnen, die an Kampfhandlungen beteiligt sind, alle verlassen sich auf Satellitensignale, um ihre Position zu bestimmen und zu ihrem Ziel zu navigieren.

Bei einer solchen Abhängigkeit können Systeme durch Störung oder Nachahmung von Satellitensignalen leicht lahmgelegt werden, was durch elektromagnetisches Rauschen erreicht werden kann, um diese Signale zu übertönen.

Vorteile von Quantennavigationssystemen

Um dieses Problem zu lösen, erforschen Wissenschaftler seit langem auf Quanten basierende Navigationssysteme, die nicht nur weniger anfällig für Störungen sind, sondern auch eine extrem hohe Genauigkeit aufweisen. Es gibt mehrere verschiedene Ansätze für die Funktionsweise solcher Systeme, einer davon ist die freiraumatomare Interferometrie. Bei diesem Verfahren werden ultrakalte Atome in einer Vakuumkammer freigesetzt und ihre Bewegung mit Lasern gemessen. Allerdings können Vibrationen oder andere Störungen diese Messungen unzuverlässig machen, was Wissenschaftler dazu veranlasst, nach stabileren Methoden zu suchen. Die geführte Atominterferometrie mit eng gebündeltem Licht verwendet nichtfaseroptische Geräte, um Atome zu leiten, ähnlich wie Murmeln, die durch enge Rohre fließen, um sicherzustellen, dass sie immer von Lasern beobachtet werden.

Jongmin Lee, ein Quantensensor-Wissenschaftler am Sandia National Laboratory, hat daran gearbeitet, ein extrem miniaturisiertes Gerät zu entwickeln, das sehr wenig Energie verbraucht und für den Feldeinsatz geeignet ist. Lees ehrgeiziges Ziel ist es, dieses Gerät auf einem photonischen integrierten Schaltkreis zu platzieren, damit die Messungen auch dann fortgesetzt werden können, wenn das Gerät Erschütterungen ausgesetzt ist. In realen Situationen könnte dies die Navigation unterstützen, wenn Fahrzeuge unwegsames Gelände durchqueren oder Flugzeuge Turbulenzen erleben. In einer Pressemitteilung erklärte Lee: "Diese Idee konnte in den letzten Jahrzehnten nicht vollständig realisiert werden, da die Herausforderungen beim Wärmemanagement im Vakuum und die Schwierigkeiten beim effektiven Laden von Atomen bestanden."

Innovation zur Lösung des Wärmelastproblems

Laser müssen einen Lichthof-Effekt erzeugen, um die sich bewegenden Atome zu leiten und zu zählen. Diese sind jedoch auch die Hauptwärmequellen im System, insbesondere beim Umgang mit Komponenten wie Nanofasern, die dünner sind als ein menschliches Haar. In dieser Situation müssen Wissenschaftler immer einen Kompromiss eingehen. Entweder sie verwenden ein fragiles Design, das Atome gut laden kann, aber unter hohen Temperaturen leicht beschädigt wird, oder ein robustes Design, das Wärme gut verträgt, aber Atome nicht effektiv laden kann. Die Forscher des Sandia National Laboratory unter der Leitung von Lee haben dieses Problem gelöst, indem sie kleine Siliziumnadeln verwendeten, um die Wellenleiter an beiden Seiten zu befestigen und als Kühler zu dienen.

Lee fügte in der Pressemitteilung hinzu: "Basierend auf unseren Ergebnissen der Nanofaserforschung haben wir gezeigt, dass Cäsiumatome mit nur fünf Milliwatt optischer Leistung gefangen werden können und die Atomkohärenz mit einem sub-mikrowattigen fasergekoppelten Strahl gemessen werden kann, während die Wärmelast im Vakuum minimiert wird."

Nachdem einige Probleme in der Einrichtung gelöst wurden, hofft das Team, die Führungsgeräte und andere Komponenten auf einem Chip zu integrieren und ein Array von inertialen Quantensensoren zu bauen. Diese Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "AVS Quantum Science" veröffentlicht.

Der Einfluss von Quantensensoren auf die Navigationssysteme

Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Satellitensignalen in der Navigationsindustrie wird die Entwicklung von Quantensensoren besonders wichtig. Diese Sensoren können nicht nur äußere Störungen widerstehen, sondern auch in verschiedenen extremen Umgebungen eine hohe Genauigkeit beibehalten, was ein großer Fortschritt für militärische, kommerzielle und zivile Navigationssysteme ist. Die Forschung des Sandia National Laboratory zeigt nicht nur das Potenzial der Quantentechnologie für den praktischen Einsatz, sondern löst auch das langjährige Problem der Wärmelast, was den Weg für zukünftige Quantennavigationssysteme ebnet.