Weltraum-Quantentechnologien: Von der Forschung in die Anwendung

„Weltraum-Quantentechnologien“ – noch eine Erfindung aus dem wissenschaftlichen Elfenbeinturm oder doch schon relevant für unseren Alltag?

Weltraum-Technologien sind durch ihren Einsatz in der Satellitenkommunikation, Satellitennavigation und Erdbeobachtung unverzichtbarer Bestandteil unseres Alltags. Quantentechnologien basieren auf Quantenphysik und werden weltraumbasierte Anwendungen in den nächsten Jahren nicht nur deutlich verbessern, sondern auch weitere Innovationen ermöglichen.

Was trägt das DLR hierzu bei?

Das DLR hat die Entwicklung von Quantentechnologien für den Weltraum bereits seit 20 Jahren im Blick. Jetzt gilt es, die große Entwicklungskompetenz für neue Technologien in Deutschland gemeinsam mit Unternehmen aus dem Labor in Anwendungen zu überführen.

Gemeinsam mit deutschen Unternehmen entwickelt das DLR hochstabile und hochpräzise weltraumtaugliche optische Uhren, wie zum Beispiel die Iod-Uhr, die im Rahmen des Projektes COMPASSO auf der Bartolomeo-Plattform der ISS getestet werden soll. Aufgrund Ihrer herausragenden Stabilität haben diese Uhren das Potenzial die Genauigkeit und Resilienz der Positionsbestimmung mit Navigationssatelliten zu verbessern und stellen eine hervorragende Basis für die hochgenaue globale Zeithaltung und künftige wissenschaftliche Missionen dar.

Die Eigenschaften von Quanten kann man nutzen, um nicht nur die Satellitenkommunikation physikalisch sicher zu verschlüsseln, sondern generell jede Form der digitalen Kommunikation. Voraussetzung dafür ist ein Gerät, das die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) vornehmen kann. Die DLR-Forschungsinstitute entwickeln solche QKD-Terminals, die weltraumtauglich und für den Einsatz auf CubeSats geeignet sind. Langfristig werden diese Technologien einen Beitrag zur zukünftigen europäischen Quantenkommunikations-Infrastruktur leisten.

Auch in der Erdbeobachtung können Quantensensoren eingesetzt werden, um das Erdschwerefeld noch genauer zu vermessen und damit Veränderungen im globalen Wasserhaushalt – zum Beispiel der Eisschilde und Schwankungen des Meeresspiegels sowie des Grundwassers – zu überwachen. Hier ist das DLR unter Führung der Deutschen Raumfahrtagentur gemeinsam mit der CNES und weiteren europäischen Partnern im EU-Projekt CARIOQA-PMP an der Vorbereitung einer Pfadfinder-Mission beteiligt.

Darüber hinaus lassen sich fundamentale physikalische Theorien wie etwa die Relativitätstheorie mit neuen Quantenexperimenten im Weltraum testen und unser Weltbild erweitern. Hierzu entwickeln die DLR Institute und die DLR-Raumfahrtagentur gemeinsam mit der NASA die neue Experimentanlage BECCAL für die ISS, an der gemeinsam deutsche und US-amerikanische Forschung zu ultrakalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten betrieben werden soll.

Basis aller Entwicklungen in der Weltraum-Quantentechnologie sind kompakte, raumfahrttaugliche Schlüsselkomponenten wie etwa Lasersysteme, Frequenzkämme und Atomchips, in deren Entwicklung und Mikrointegration Deutschland weltweit führend ist. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR unterstützt solche Entwicklungsprojekte wie das Atomchip-System der Leibniz Universität Hannover zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten und Lasertechnologie am Ferdinand-Braun-Institut in Berlin mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

Schließlich bergen Quantencomputer und Quantenalgorithmen, auch in Verbindung mit künstlicher Intelligenz, ein Potenzial für Anwendungen mit Raumfahrtbezug wie zum Beispiel den komplexen Optimierungen für die Autonomie von Raumfahrzeugen oder Big-Data-Anwendungen in der Erdbeobachtung. Beiträge hierzu werden durch die DLR Quantencomputing-Initiative erbracht.

QKD-Terminal für Cubesats

Laserterminal zur Transmission von Quantenzuständen vom erdnahen Orbit zum Boden für globale Quantenschlüsselverteilung

Die aufkommende zweite Quantenrevolution bringt neue innovative Dienste, die auf der Basis neuer Quantentechnologien stehen. Eine der wichtigsten ist die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution: QKD), eine Anwendung der Quantenkommunikation. Erste faserbasierte Produkte sind kommerziell erhältlich. Jedoch ist die Reichweite der Quantenkommunikation in der Faser auf wenige hundert Kilometer beschränkt. Die Verwendung von Satelliten zur Übertragung ermöglicht eine Quantenschlüsselverteilung auf globaler Ebene.

Das DLR konzeptioniert neue Systeme und entwickelt Komponenten für eine satelliten-basierte Quantenschlüsselverteilung. Eine Kernkomponente ist das QKD-Terminal für Cubesats. Dieses ermöglicht die Transmission von Quantenzuständen vom erdnahen Orbit (Low Earth Orbit, kurz LEO) zum Boden – und das mit einer äußerst kompakten Bauweise des Laserterminals. Es wird in zwei Satellitenmissionen, QUBE und QUBE2, in unterschiedlichen Entwicklungsstufen eingesetzt. Das spezielle optische Design ermöglicht die Unterstützung der beiden Wellenlängenbereiche um 850 und 1.550 Nanometer. Ein aktiver Spiegel ermöglicht die notwendige präzise Ausrichtung des Sendestrahls zur Empfangsstation.

Links:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Kommunikation und Navigation
E-Mail contact-dlr@DLR.de

COMPASSO

Quantenoptische Technologien für die Satellitennavigation der Zukunft

Im Projekt COMPASSO werden eine im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte Jod-Laseruhr, ein Laserterminal sowie ein optischer Frequenzkamm unter Weltraumbedingungen auf der Internationalen Raumstation ISS getestet. Sie sollen an der Bartolomeo-Plattform angebracht werden, die außen am europäischen ISS-Forschungsmodul Columbus montiert ist.

Für den Einsatz im Weltraum müssen die optischen Technologien besonders klein, robust und langlebig sein. Aktuell läuft die Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten. Nachdem sie sich auf der ISS bewährt haben, können sie für das europäische Satellitennavigationssystem Galileo vorbereitet werden.

Kompakte, hochstabile laseroptische Uhren können zukünftige Generationen von Satellitennavigationssystemen wie Galileo erheblich verbessern. Zudem haben optische Verbindungen (sogenannte Laserlinks) zwischen den Satelliten und zur Bodeninfrastruktur das Potenzial, die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung auf der Erde deutlich zu erhöhen. Gleichzeitig werden die Komplexität und Größe der Bodeninfrastruktur reduziert.

COMPASSO ist eines der größten Projekte im 2019 eröffneten Galileo Kompetenzzentrum des DLR und wird in enger Kooperation mit industriellen Partnern durchgeführt.

Link:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Galileo Kompetenzzentrum
E-Mail contact-dlr@DLR.de

Optische Jod-Frequenzreferenz

Entwicklung einer optischen Frequenzreferenz für Anwendungen im Weltraum, u.a. zukünftiges Galileo, Erdbeobachtung, Wissenschaft

Bei der COMPASSO-Mission werden optische Uhren- und Linktechnologien auf der Bartolomeo-Plattform der Internationalen Raumstation ISS erforscht. Eines der zentralen Nutzlast-Elemente ist eine Jod-basierte optische Frequenzreferenz, die am DLR-Institut für Quantentechnologien entwickelt wird.

Die Jod-basierte Frequenzreferenz weist eine sehr hohe Frequenzstabilität auf und ist ein möglicher Kandidat für eine alternative Uhrentechnologie für zukünftige Generationen des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo. Sie nutzt die Hyperfeinstruktur-Aufspaltung des Linienspektrums des Jod-Moleküls aus, bei der ein Laser auf eine solche Resonanz bei einer Wellenlänge nahe 532 Nanometer stabilisiert wird. Die Jod-Referenz empfiehlt sich durch die Demonstration auf der ISS – nicht nur für die nächste Generation von Navigationssatelliten, sondern auch für weitere Einsätze, zum Beispiel in Weltraummissionen zur Erforschung des Alls oder der Erdbeobachtung.

Link:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Quantentechnologien
E-Mail contact-dlr@DLR.de

Atomchip-System

Multichip-Atomchip-System bestehend aus Science- und Base-Chip und einem Keramik-Trägersystem

Atomchips sind ein Kern-Bestandteil von magneto-optischen Fallen für kompakte Materiewellen-Interferometer. Solche werden zum einen in der Grundlagenforschung für die Untersuchung der Eigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten (BEK) in der Schwerelosigkeit eingesetzt (wie im Projekt BECCAL), sollen aber auch als hochempfindliche Quantensensoren zur Anwendung kommen, wie es beispielsweise in der europäischen CARIOQA-Initiative für die Schwerefeldmessung verfolgt wird.

An der Leibniz-Universität Hannover werden am Institut für Mikroproduktionstechnik in Kooperation mit dem Institut für Quantenoptik Atomchips als Bestandteil von magneto-optischen Fallen für kompakte Materiewellen-Interferometer entwickelt. In Kombination mit einer aufwendigen Laserkühlung und einem externen Magnetfeld erzeugen diese Atomchips mit ihren planaren Leiterbahnstrukturen Magnetfeldkonfigurationen, um Atome unter Ausnutzung des Zeeman-Effekts zu fixieren und BEK zu erzeugen und als Testmasse für die Interferometrie zu nutzen.

Da der Betrieb unter Ultrahochvakuum-Bedingungen erfolgt, hat die Verwendung nicht-adhäsiver Verbindungstechniken höchste Priorität. Unser Ansatz stützt sich auf Leiterbahnen, die in das Substrat eingebettet sind. Das Substrat ist ein Silizium-Wafer, in den ein 10 bis 20 Mikrometer tiefer „Graben“ geätzt wurde, der dann mit dem Leiterbahnmaterial galvanisch gefüllt und abschließend planarisiert wird.

Eine zusätzliche Haftvermittlerschicht wie Titan oder Chrom wird verwendet, um die Schichthaftung der Leiterbahn zu verbessern und eine Delamination zu verhindern. Diese Chips müssen nun auf ein Trägersystem gefügt werden. Da die Funktion des Atomchips durch äußere Magnetfelder beeinflusst wird, werden im gesamten Atomchip-System nur nicht-magnetische Materialien verwendet. Auch die Verwendung von leitenden Materialien, abgesehen von den eigentlichen Leiterbahnen, wird vermieden, um Wirbelströme zu unterdrücken. Der Träger hat nicht nur die Aufgabe, den Atomchip zu halten und Platz für die elektrischen Durchführungen zu bieten, sondern er enthält auch die mesoskopischen Strukturen in Form von Drähten.

Links:

Institut für Mikroproduktionstechnik der Universität Hannover
https://www.impt.uni-hannover.de

Atomchips mit integrierten optischen Gittern zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten.

Atomchip-System mit Trägersystem

Mikrointegrierte Lasertechnologie (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik)

ECDL vs. mECDL – Extended Cavity Diodenlaser und monolithisch-integriertes Bauelement

Hybrid-mikrointegriertes Modul: Extended Cavity Diode Laser (ECDL)

Eine kanten-emittierende Laserdiode (nahe der Mitte des Moduls) erfährt eine optische Rückkopplung von einem „weit“ entfernten volumen-holographischen Bragg-Gitter (der „Glasblock“), um seine Emissionsfrequenz zu stabilisieren. Laser wie diese werden für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die spektrale Stabilität eingesetzt (zum Beispiel für optische Atomuhren und Atominterferometer-basierte Beschleunigungssensoren oder für die kohärente Freiraum-Kommunikation). Das Modul wurde im Rahmen des vom DLR geförderten Projekts LasUS entwickelt und erfolgreich in der Höhenforschungsraketen-Mission KaLExUS (TEXUS 53) für die Kaliumspektroskopie im Weltraum eingesetzt. Eine Nachfolgeversion wurde in MAIUS-II für Experimente mit ultrakalten Rubidium- und Kaliumatomen genutzt.

mECDL

Um die Miniaturisierung und Robustheit noch weiter voranzutreiben, hat das Ferdinand-Braun-Institut am Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik im Rahmen des vom DLR geförderten Projekts mECDL/ROSC mit der Entwicklung eines monolithisch integrierten Extended Cavity Diode Lasers (mECDL) begonnen. Hier werden die Elemente der optischen Verstärkung (die Laserdiode im oben beschriebenen hybriden mikrointegrierten Ansatz), der optischen Verzögerung (Freiraumausbreitung des Laserstrahls zwischen der Laserdiode und dem obigen holographischen Bragg-Gitter) und der Frequenzselektivität (das obige holographische Bragg-Gitter) in ein einziges opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement integriert. Dazu wird ein aktiver Wellenleiterabschnitt (für die optische Verstärkung) mit einem verlustarmen, passiven Wellenleiterabschnitt (für die optische Verzögerung) und einem verlustarmen, passiven Bragg-Wellenleiterabschnitt (für die frequenzabhängige optische Rückkopplung) kombiniert.

Alleinstellungsmerkmale

  • monolithisch (Design im Chipmaßstab, robust, hocheffizient)
  • nutzt eine kürzlich entwickelte fortschrittliche zweistufige Epitaxie-Technologie
  • sehr schmale spektrale Linienbreite

Technische Daten

  • 3 dB Linienbreite: 25 kHz @ 1 ms (1064 nm)
  • 44 mW an optischer Leistung (1064 nm) bei Injektionsstrom von 200 mA

MiLas®

Technologieplattform für weltraum-kompatible Diodenlaser-Module

Die MiLas®-Technologieplattform ermöglicht die Realisierung verschiedener Arten von miniaturisierten elektro-optischen Modulen. Dazu gehören beispielsweise Master-Oszillator-Power-Amplifier (MOPA), zweistufige optische Verstärker oder Phasenmodulatoren mit Leistungsverstärkern. Sie finden Anwendung in der auf kalten Atomen basierenden Quanten-Sensorik (zum Beispiel Atom-Interferometer und optische Uhren), in der Lasermetrologie (Interferometrie) und der kohärenten Kommunikation. MOPA wurden bereits erfolgreich in den vom DLR geförderten Projekten MAIUS-II und JOKARUS eingesetzt und sind auch für BECCAL und COMPASSO vorgesehen.

Die Module bestehen aus einer mikro-optischen Bank (MIOB), die in ein Kovar-Gehäuse integriert ist. Die MIOB besteht aus lithografisch strukturierten Aluminiumnitrid-Substraten, die mit Präzisionslötungen zu einem Stapel zusammengefügt werden. Die Strukturierung sorgt für eine Funktionalität, die Leiterplatten ähnelt, und das Stapeln erlaubt ein komplexes elektrisches Mehrschicht-Design. Alle optischen Elemente wie Linsen, Spiegel, optische Isolatoren und Prismen werden aktiv ausgerichtet und mit einer Auflösung und Genauigkeit von 100 Nanometer aufgeklebt. Die thermische Kontrolle kritischer Elemente wird durch Mikro-Peltier-Elemente gewährleistet, zum Beispiel für das volumen-holographische Bragg-Gitter des Master-Oszillators.
Das elektrische Design umfasst Transistoren mit einer Bandbreite von mehreren Gigahertz, die sehr nahe an den Laserchips angeordnet sind, um eine Strom–Modulation mit großer Bandbreite zu erreichen.

Technische Daten des ECDL-MOPA

  • Ausgangsleistung: > 500 mW bei 1064 nm aus monomodiger, polarisationserhaltender optischer Faser
  • Linienbreite: 26 kHz @ 1 ms, < 1 kHz intrinsische Linienbreite, demonstriert mit einem 1064 nm ECDL MOPA
  • Durchstimmbarkeit: ~ 50 GHz (grob), bis zu 50 GHz (kontinuierlich), je nach Betriebsart
  • Fähigkeit zur Strommodulation mit hoher Bandbreite (>1 GHz)
  • weltraumtaugliche Technologie
  • Vibrationsbelastung bis 8 gRMS erfolgreich demonstriert
  • Wellenlängen: 767 / 780 / 871 / 1064 / 1070 nm, weitere auf Anfrage

Miniaturisierter optischer Isolator

Für den Schutz von Diodenlasern gegen optische Rückkopplung

Optische Isolatoren sind Elemente, die Licht richtungsabhängig transmittieren. Sie werden eingesetzt, um Diodenlaser vor optischer Rückkopplung zu schützen, die die elektro-optische Performanz verschlechtern oder das Bauelement sogar schädigen kann.

Die miniaturisierten Isolatoren zielen auf Anwendungen wie Quantensensoren, zum Beispiel kompakte optische Atomuhren und Quantencomputer. Sie werden im Rahmen des vom DLR geförderten Projekts Faraday entwickelt und in den ebenfalls geförderten Projekten SOLIS und OPUS für verschiedene Wellenlängen eingesetzt.

Diese Plattform kann für die Integration von Isolatoren für Wellenlängen zwischen etwa 400 und 950 Nanometer genutzt werden. Aufgrund ihrer Kompaktheit sind sie ideal geeignet für den Einsatz in Diodenlaser-basierten Lasersystemen, die strengen Beschränkungen in Bezug auf Größe, Masse und Leistungsaufnahme unterliegen.

Der angesprochene Wellenlängenbereich schließt eine Lücke in der Verfügbarkeit kommerzieller Produkte und ermöglicht neue Anwendungen im Bereich der optischen Quantentechnologien, wo ultrakompakte, laserbasierte Lichtquellen benötigt werden.

Spezifikationen

  • Volumen: 0.3 ml (6.5 mm x 6.5 mm x ca. 7 mm)
  • freie mechanische Apertur: 1,5 mm x 1,5 mm (geeignet für einen Strahldurchmesser (1/e²) von ca. 600 μm)
  • unterschiedliche magneto-optische Materialien können verwendet werden, um eine Anpassung an eine bestimmte Wellenlänge zu erreichen:
  • Terbium-Gallium-Granat (TGG) / Terbium-Scandium-Aluminium-Granat (TSAG): für λ ~400 nm – 560 nm
  • Cd1-xMnxTe für λ ~560 nm – 950 nm, mit x = 0,08 … 0,50
  • hochremanenter Magnet: FeNdB-Legierung
  • Isolation > 30 dB möglich, je nach magneto-optischem Material
  • geringe Einfügedämpfung von einigen 0,1 dB möglich, je nach magneto-optischem Material
  • Beispiel: optischer Isolator für 461 nm (TSAG):
    • Isolation > 40 dB
    • Einfügedämpfung: 1,4 dB (27,5 %)
  • Beispiel: optical isolator for 689 nm (Cd0.50Mn0.50Te)
    • Isolation > 23 dB
    • Einfügedämpfung: 1,2 dB (25%)
  • ausgehende Polarisation entspricht der eingehenden Polarisation

Links:

Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik