Neue Miniatur-Atomuhren kommen bald auf den Markt

- EN- DE - FR- IT
Prototyp der Miniatur-Atomuhr. (Foto: macQsimal
Prototyp der Miniatur-Atomuhr. (Foto: macQsimal

Das vom CSEM koordinierte europäische Quanten-Grossprojekt macQsimal, das in der Initiative ’ FET Flagship on Quantum Technologies ’ enthalten ist, nähert sich seinem Ende und zeigt vielversprechende Ergebnisse. Dazu gehört insbesondere die Kommerzialisierung neuer Miniatur-Atomuhren. Das 2018 gestartete Projekt macQsimal hatte zum Ziel, Quanteneffekte für die Entwicklung von Sensoren mit nie dagewesener Empfindlichkeit und Präzision zu nutzen, aber auch eine leistungsfähige europäische Industrie in diesem Bereich aufzubauen. Der Abschluss des Projekts fand an der Universität Neuchâtel (UniNE), einem wichtigen Partner von macQsimal, am 20. und 21. Juni in Form eines öffentlich zugänglichen wissenschaftlichen Symposiums sowie einer öffentlichen Konferenz Zeit, Wissenschaft und Gesellschaft statt.

Als Ergebnis der ersten Quantenrevolution haben Transistoren und Laser die Entwicklung von Computern, Mobiltelefonen und dem Internet ermöglicht. Heute zeichnet sich ein weiterer wichtiger technologischer Wendepunkt ab, da die Möglichkeit besteht, die grundlegenden Quanteneigenschaften von Systemen und Materialien zu manipulieren. Weltweit ist ein Wettlauf um die Beherrschung dieser neuen Technologie entbrannt, um entscheidende Fortschritte in Bereichen wie Gesundheit, Sicherheit, Verkehr, Energie und Umweltwissenschaften zu erzielen.

Die Leistung von Sensoren an die Grenzen des Möglichen bringen

Das vom CSEM koordinierte EU-Projekt macQsimal hat 14 Partner zusammengebracht, die die gesamte Wertschöpfungskette von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Umsetzung abdecken, um diese Aufgabe anzugehen. Das Konsortium hat insbesondere daran gearbeitet, das Potenzial der Atomdampfzellen auszuschöpfen, um eine neue Generation hocheffizienter Sensoren für die breite Öffentlichkeit bereitzustellen.

Initiierung des Technologietransfers in der Schweiz: von Prototypen zu kommerziellen Produkten

Insbesondere haben die Schweizer Partner von macQsimal einen Prozess des Technologietransfers einer energiesparenden Miniatur-Atomuhr in die Industrie eingeleitet.

Der Großteil der Entwicklung dieser Atomuhr findet in Neuenburg statt, von der MEMS-Zelle des CSEM - dem Herzstück der Uhr - bis hin zur Steuerelektronik und der Endmontage. Das für die Vermarktung zuständige Unternehmen Orolia Switerland SA zielt auf einen schnell wachsenden Markt ab, in dem die Nachfrage nach Atomuhren stetig steigt.

Unsere Forschungen über die Miniaturisierung von Atomuhren, die wir vor etwa 15 Jahren begonnen haben, führen zu neuen Produkten, die auf den Markt gebracht werden.Christoph Affolderbach und Gaetano Mileti, wissenschaftlicher Mitarbeiter bzw. Professor am Laboratoire Temps-Fréquence der UniNE, freuen sich. Wir setzen unsere Untersuchungen fort, um die Führungsposition Neuenburgs in einem für die Schweiz strategischen Bereich zu erhalten. ’

Von Mini-Notstromgeneratoren

Atomuhren sind ein einzigartiges Instrument zur Koordinierung vieler Dienste, die für die Bevölkerung von entscheidender Bedeutung sind, wie Telekommunikations-, Transport- und sogar Energienetze, die derzeit von den Signalen des GPS oder des Galileo-Systems abhängen. Im Falle einer Unterbrechung oder eines Angriffs auf die Signale können die Miniaturuhren die Funktion übernehmen und das System für einige Stunden am Laufen halten, bis das Problem gelöst ist. Man kann sie in einigen ihrer Anwendungen mit Mini-Notstromgeneratoren vergleichen. ’, erklärt Jacques Haesler, Koordinator von macQsimal und Projektleiter am CSEM.

Eine ungewisse Zukunft

Neben der Entwicklung der Miniatur-Atomuhr hat das Projekt macQsimal weitere Prototypen außergewöhnlich empfindlicher Quantensensoren wie Magnetometer oder Gyroskope realisiert, deren Anwendungen von der medizinischen Diagnose bis zur autonomen Navigation reichen. Diese Entwicklungen erfolgten in sehr enger Partnerschaft mit Forschungsgruppen und der Industrie bei unseren europäischen Nachbarn.

In diesen Bereichen ist die weitere Zusammenarbeit im Hinblick auf eine Industrialisierung jedoch ausgesetzt. Die Schweiz, die das zentrale Element für diese Sensoren, die berühmte MEMS-Zelle, liefert, ist nun von den europäischen Forschungsprogrammen ausgeschlossen, nachdem die Verhandlungen über das Rahmenabkommen mit Europa abgebrochen wurden.

Die zweite Phase des Flagship-Programms für Quantentechnologien hat gerade die ersten Projekte für den Transfer dieser vielversprechenden Quantentechnologien in die Industrie finanziert, aber die Schweiz ist nicht dabei. Der Bund hat erste Unterstützungsinitiativen angekündigt, um diesen Ausschluss übergangsweise zu überwinden. Diese Maßnahmen werden es den Schweizer Akteuren, die im Bereich der Quantentechnologien tätig sind, ermöglichen, ihre eigenen Entwicklungen vorübergehend fortzusetzen. Da sie jedoch nicht auf den Zug aufspringen konnten, ist es ihnen nun unmöglich, mit ihren europäischen Partnern zusammenzuarbeiten. ’, fasst Jacques Haesler zusammen. Eine schnelle Wiederanbindung an die europäischen Programme könnte es ermöglichen, den Rückstand mit möglichst geringen Kollateralschäden aufzuholen. ’

Quantentechnologien nutzen die Verhaltenssingularitäten von Energie und Materie auf Quantenebene - atomar und subatomar. Sie ermöglichen einzigartige Funktionalitäten und Leistungen, da in einem so kleinen Maßstab die klassischen Gesetze der Physik durch die Gesetze der Quantenmechanik ersetzt werden. Dies führt zu besonderen Effekten wie ’Superposition’ und ’Verschränkung’, Phänomene, die neue technologische und wirtschaftliche Perspektiven eröffnen; Superposition ermöglicht es einem ein Teilchen, gleichzeitig in zwei Zuständen zu existieren, während bei der Verschränkung der Zustand eines Teilchens vom Zustand eines anderen Teilchens abhängt, selbst wenn dieses weit entfernt ist. Es ist eine Bewegung im Gange, um diese Effekte zu nutzen und neue Geräte und Systeme zu entwickeln, die sich durch extreme Leistung auszeichnen.

Ziel des im Oktober 2018 gestarteten Projekts macQsimal (Miniature Atomic Vapor-Cell Quantum Devices for Sensing and Metrology Applications) war die Entwicklung von Quantensensoren und der Aufbau einer leistungsstarken europäischen Industrie in diesem Bereich. Diese Sensoren wurden für fünf Anwendungsbereiche entwickelt: miniaturisierte, optisch gepumpte Magnetometer, Miniatur-Atomuhren, kompakte Atomkreisel, Sensoren für magnetische und elektrische GHz- und THz-Felder sowie Gassensoren. Diese Anwendungen wurden ausgewählt, weil sie ein hohes Potenzial für eine industrielle und kommerzielle Verwertung in Europa in den nächsten 5 bis 10 Jahren aufweisen.

Das Projekt macQsimal ist Teil des europäischen Future and Emerging Technologies (FET) Quantum Technologies Flagship-Programms. Es wurde durch das Rahmenprogramm Horizon 2020 über den Zuschussvertrag 820393 finanziert. Das Projekt war mit einem Budget von 10,2 Millionen Euro ausgestattet.

Das 2018 unter dem Rahmenprogramm Horizont 2020 gestartete Quantum Flagship ist eine der größten und ehrgeizigsten Forschungsinitiativen der Europäischen Union. Mit einem Budget von 1 Milliarde Euro für eine Laufzeit von 10 Jahren setzt sich dieses Flagship im neuen Rahmenprogramm Horizont Europa fort und bringt Forschungseinrichtungen, Universitäten, Unternehmen und Behörden in einer gemeinsamen und kollaborativen Initiative von beispiellosem Ausmaß zusammen.

Das Hauptziel besteht darin, die europäische wissenschaftliche Führung und Exzellenz in diesem Bereich der Quantenwissenschaften und -technologien zu festigen und auszubauen und gleichzeitig den Transfer von Forschungsergebnissen in kommerzielle Anwendungen zu gewährleisten.

Diese Initiative, an der mehr als 5.000 Forscher aus Wissenschaft und Industrie beteiligt sind, zielt darauf ab, die nächste Generation von bahnbrechenden Technologien zu schaffen, die sich auf die europäische Gesellschaft auswirken werden, und Europa als weltweit führenden Standort für industrielles und technologisches Wissen in diesem Bereich zu positionieren.