Forscher der Sandia National Laboratories in den USA haben Silizium-Photonik genutzt, um die Quantenmessmethode der Atominterferometrie anzuwenden – eine äußerst präzise Methode zur Messung von Beschleunigungen, die die Entwicklung eines Quantenkompasses ermöglichen könnte, der auch bei fehlendem GPS-Signal die Navigation sicherstellt.
„Präzise Navigation wird in realen Szenarien zu einer Herausforderung, wenn GPS-Signale nicht verfügbar sind“, sagt der Sandia-Wissenschaftler Jongmin Lee.
In Kriegsgebieten bergen diese Herausforderungen Risiken für die nationale Sicherheit, da Einheiten der elektronischen Kriegsführung Satellitensignale stören oder fälschen können, um Truppenbewegungen und Operationen zu sabotieren.
Die Quantenmessung bietet eine Lösung.
„Durch die Nutzung der Prinzipien der Quantenmechanik bieten diese fortschrittlichen Sensoren eine unvergleichliche Genauigkeit bei der Messung von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit, was eine präzise Navigation auch in GPS-losen Gebieten ermöglicht“, erklärt Lee.
Normalerweise nimmt ein Atominterferometer den Platz eines kleinen Raumes ein. Ein vollständiger Quantenkompass – genauer gesagt eine Quanten-Trägheitsmesseinheit – würde sechs Atominterferometer erfordern.
Doch Lee und sein Team suchen nach Wegen, Größe, Gewicht und Energiebedarf zu reduzieren. Sie haben bereits eine große, stromhungrige Vakuumpumpe durch eine vakuumdichte Kammer in der Größe einer Avocado ersetzt und mehrere Komponenten, die normalerweise auf einem optischen Tisch angeordnet sind, zu einem einzigen, stabilen Gerät zusammengeführt.
Der neue Modulator ist das Herzstück eines Lasersystems auf einem Mikrochip. Robust genug, um starken Vibrationen standzuhalten, könnte er ein herkömmliches Lasersystem ersetzen, das normalerweise die Größe eines Kühlschranks hat.
Laser übernehmen in einem Atominterferometer mehrere Aufgaben, und das Sandia-Team verwendet vier Modulatoren, um die Frequenz eines einzigen Lasers für verschiedene Funktionen zu verändern.
Allerdings erzeugen Modulatoren oft unerwünschte Echos, sogenannte Seitenbänder, die gemindert werden müssen.
Der unterdrückte Träger, einseitige Modulator von Sandia, reduziert diese Seitenbänder um beispiellose 47,8 Dezibel – eine Einheit, die oft zur Beschreibung der Schallintensität verwendet wird, aber auch auf die Lichtintensität anwendbar ist – was zu einer nahezu 100.000-fachen Reduktion führt.
„Wir haben die Leistung im Vergleich zu den bisher existierenden Lösungen drastisch verbessert“, sagte Sandia-Wissenschaftler Ashok Kodigala.
Neben der Größe war der Preis ein großes Hindernis für den Einsatz von Quantennavigationsgeräten. Jedes Atominterferometer benötigt ein Lasersystem, und Lasersysteme benötigen Modulatoren.
„Allein ein vollwertiger einseitiger Modulator, wie er kommerziell erhältlich ist, kostet mehr als 10.000 Dollar“, so Lee.
Die Miniaturisierung sperriger, teurer Komponenten in Silizium-Photonik-Chips hilft, diese Kosten zu senken.
„Wir können Hunderte von Modulatoren auf einem einzigen 8-Zoll-Wafer herstellen und noch mehr auf einem 12-Zoll-Wafer“, sagte Kodigala.
Und da sie mit demselben Verfahren wie praktisch alle Computerchips hergestellt werden können, „kann diese hochentwickelte Vierkanal-Komponente, einschließlich zusätzlicher kundenspezifischer Funktionen, massenproduziert werden, was die Produktion von Quanten-Trägheitsmesseinheiten zu wesentlich geringeren Kosten im Vergleich zu heutigen kommerziellen Alternativen ermöglicht“, erklärte Lee.
Da die Technologie der Feldanwendung immer näher kommt, untersucht das Team weitere Anwendungen über die Navigation hinaus. Forscher untersuchen, ob sie helfen könnte, unterirdische Hohlräume und Ressourcen zu lokalisieren, indem sie die winzigen Veränderungen der Erdanziehungskraft, die diese verursachen, erkennt. Sie sehen auch Potenzial für die von ihnen erfundenen optischen Komponenten, einschließlich des Modulators, in LIDAR, Quantencomputing und optischen Kommunikationssystemen.
„Ich finde es wirklich spannend“, sagte Kodigala. „Wir machen große Fortschritte bei der Miniaturisierung für viele verschiedene Anwendungen.“
Lee und Kodigala repräsentieren zwei Hälften eines interdisziplinären Teams. Eine Hälfte, einschließlich Lee, besteht aus Experten für Quantenmechanik und Atomphysik. Die andere Hälfte, wie Kodigala, sind Spezialisten für Silizium-Photonik – denken Sie an einen Mikrochip, aber statt Elektrizität, die durch seine Schaltkreise fließt, gibt es Lichtstrahlen.