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[Musik]
was haben eenttis Atom je für uns getan
unsere nächste Sprecher Manuel
beschäftigt sich seit mehr als 12 Jahren
mit Quantum Messtechnik also Lasers und
alles spannende Sachen also von dem
Perspektive des nutzes er ist
dementsprechend kein Physiker in dem
Sinne sondern Geodät also er würde uns
ein bisschen aufschlauen Stand der
Technik und ja am besten einfach von
Manuel bitte ihn sehr herzlich
[Applaus]
[Musik]
begrüßen ja hallo herzlich willkommen zu
meinem Beitrag mit der Frage was haben
Atome hier für uns getan und ich
entschuldige mich an morgens an Tag 4 so
ein Thema hier anzusprechen
m weiterhin bin ich kein Physiker das
heißt meine Erklärung solltet ihr selbst
gerade Physiker sein an einem wichtigen
Standpunkt eures Lebens der Dissertation
der Master Bachelorarbeit zitiert nicht
mich mit dem Inhalt dieses talks seid
ihr Physiker einem wichtigen Standort
eures Lebens einer Dissertation einer
Masterarbeit und ihr sucht Anwendung für
quantentechnik dann könnt ihr gerne mit
mir sprechen der alternative Titel
dieses Beitrags ist
ja was noch mehr Quantum aber ich machte
mir zwei Fragen in einem Titel das passt
nicht so gut
zusammen wir haben Quantenkommunikation
quantencomputing Quantenkryptografie
hier schon gehört und ich komme jetzt
also mit der ja Quantum sensing also
quantenbasierter
Messtechnik also ich bin geodet ich
vermesse Dinge hier sehen wir dies
klassische Szenario in denen die meisten
mit ja geodeten geodetinnen in Kontakt
kommen Menschen mit einer Vorliebe für
Geräte in Signalfarben die irgendwo im
öffentlichen Raum stehen und Dinge
vermessen mein Thema ist das schwere
Feld der Erde ich habe zunächst an der
Uni
Hannover ja terrestrisch also
bodengebunden schwere gemessen hier
sehen wir es absolut graphimet fg5 eins
meiner
Messgeräte das schwere Feld der Erde
werd von der Massenverteilung auf der
Erde beeinflusst ändert sich die
Massenverteilung ändert sich die
Schwerkraft das kann ich messen und dann
feststellen okay Hintergrund wir sind
hier in Hamburg Hamburg ist ein bisschen
auf Salz gebaut Grundwasser greift Salz
an Salz wird abgebaut es entstehen
Hohlräume schlimmsten Fall Erdfälle das
kann ich z.B mit se einem Gerät
messen heute bin ich beim deutschen
Zentrum für Luft und Raumfahrt und ich
beschäftige mich eher mit ja Schwerefeld
satellitmission wie wir hier eine sehen
die zukünftig auch mit
quantentechnologie also quantensensorik
ausgestattet sein können also mein Thema
für die nächste halbe Stunde ist so ein
bisschen so ja klassische Sensorik wie
funktioniert quantensensorik und zeige
dann zwei Anwendungen quantensensorik
selbst ist natürlich über die
Erdbeobachtung hinaus auch ein weit
verbreiteres Thema in der Medizin in
bildgebenenden Verfahren aber ich
konzentriere mich hier auf diese ja
Messung des schwere Feldes Messung von
Beschleunigung ja wann ist man klassisch
wann ist man
Quantum also quantensensoren nutzen die
gezielte Manipulation von den inneren
Zuständen von Atomen als ja
Messmethode also ich habe so eine Wolke
von Atomen sag mal ein paar
hundertausend ich schieße ein Laser
drauf und zum Schluss kann ich sagen ja
Schwerkraft funktioniert als
Beispiel dabei ist nicht zu ver ja
vielen Dank dabei ist nicht zu
verwechseln
klassisch bedeutet nicht historisch also
in vielen Bereichen sind also klassische
Instrumente die ich jetzt so bezeichnen
werde also der state of the art letzten
Ende ist das darf man also nicht ganz
das kl mir ein bisschen abwerten sagt ja
klassische Instrumente
die sind in der Regel state of the art
also wie funktioniert das die
Beschleunigungsmesser wenn ich jetzt auf
mein Atome Laser schieße und zum Schluss
Beschleunigung habe wir nutzen hier die
ja die Eigenschaft von Atomen dass sie
Photonen absorbieren wenn diese Photonen
eine bestimmte Energie
mitbringen dann wird das Photon
absorbiert das Atom erreicht ein höheren
Energiezustand aber auch nur in dem Fall
wenn die Energie des Photons genau
dieser Energiedifferenz
entspricht die Energiezustände eines
Atoms sind nicht fließen sondern die
sind quantisiert und wenn ich so einen
Übergang mit der Energie meines Photons
erwische kann eine Absorption
stattfinden alternativ ich habe so ein
Atom in einem angeregten Zustand ich
schieße den richtigen Laser
drauf da kann genauso Energie abgegeben
also ein Photon emittiert werden um eine
niedrig Energie zu Stand zu reichen
zeitgleich werden dabei auch der Impuls
des Photons übertragen ich kann also mit
dieser Technologie Atome frei im Raum
bewegen also in einem Vakuum ich kann
damit Atome Bremsen ich kann damit Atome
Beschleunigen Bremsen muss ich sie immer
dann wenn ich Abkühlen möchte also die
Eigenbewegung von Atomen stark
reduzieren für meine Versuche das nennt
sich dann Laserkühlung als
Beispiel also wir nutzen hier die
Welleneigenschaften von Atomen die wir
gezielt mit Laserlicht
manipulieren glücklicherweise für uns
ist das Ganze an ist dieser Prozess
anfällig für bestimmte Kräfte also z.B
Beschleunigung wieder schwere
Beschleunigung wenn ich ein Gerät bauen
möchte das hier neben mir jetzt steht
und die Schwerkraft misst also 9,8 oder
irgendwas es ist auch anfällig für
Rotation oder Magnetfelder Magnetfelder
ist z.B eine Anwendung in der Medizin
also hochpräzise Vermessung Magnetfelder
also von ström im Gehirn
z.B das was wir den Prozess den wir
nutzen nennt sich jetzt
atomfometrie wir benutzen hier den
sogenannten zweipotonen dramanübergang m
auf die Grafik komme ich gleich zu
sprechen also wir nutzen hier die
Interaktion eines Atoms mit Zeit gleich
2 Photonen wenn die Photonen in der
Frequenz eine Differenz haben sodass die
Energie dieser Photonen einem
energieübergang im einem Atom entspricht
also hier in den Formel das F ist die
Frequenz des einen Lesers des anderen
Lesers multipliziert mit der
plankkonstante hat man die Energie und
zeitgleich wird natürlich einem Puls
übertragen also das Atom wird auf seiner
Bahn also in seinem Freifall
abgelenkt wir wollen uns jetzt wie in
einem laserinfometer strahlteile und
Spiegel bauen für so einen
Interferometer das Bild was wir hier
sehen ist also ein sogenannter
Spiegel ich beginne mit einem Atom oder
ein Atomwolke in einem bestimmten
Grundzustand stand ich beschieße es mit
zwei gegenläufig parallelen Laser da wir
ein gravimeter bauen wollen
m statistisch gesehen werden 100% dieser
Atome mit dem Laser interagieren das
heißt alle atomeen sind hinter dem
angeregten Zustand haben noch einen
Impuls mit auf den Weg bekommen ähm dann
haben wir einen Spiegel sind die Atom
ursprünglich alle im angeregten Zustand
dann passiert das gleiche nur die Atome
verlieren Impuls und Energie in diesem
Prozess weiterin brauche ich einen
Strahlteiler
die Eigenschaft des strahlteilers ist
das 50% aller Atome statistisch gesehen
diese Interaktion mit den Photonen
durchführen im Anschluss habe ich also
wenn ich mit Atomen alle im gleichen
Zustand
beginne Atome im überlagerten Zustand
aus diesen zwei Zuständen also der
unveränderte
Grundzustand und dieser ja zuständ in
einem erhöhten Energieniveau mit diesem
Impuls
dazu jetzt schalten diese zwei
Prinzipien zusammen und machen bauen ein
Atom
interterferometer auf der x-Achse sehen
wir die Zeit auf der Y-Achse jetzt die
Höhe also wir lassen einfach Atome
fallen in einer dabei erfahren sie eine
Beschleunigung und zu einem Zeitpunkt t=
0 gibt es also diesen ersten Laserimpuls
der ein Strahlteiler darstellt der jetzt
meine Atom in diese zwei Zustände
aufteilt dadurch dass die Hälfte der at
auchus so einen Kick bekommt nehmen sie
auch leicht unter ediche Wege im freien
Fall nach dem zeitunterwall großte gibt
es ein sogenannten spiegelimpuls der ist
einfach doppelt so lang wie der erste
Impuls von der Zeitdauer her und alle
Atome wechseln ihren Zustand da alle
Atome auch jetzt einen Kick quasi
mitbekommen das heißt die einen
verlieren Impuls die anderen bekommen
Impuls bewegen sich die Zustände im
Anschluss daran auch wieder aufeinander
zu am Ende des Interferometers nach
einer weiteren ja zeitinterwall groß t
wir wird das interfometer mit einem
weiteren strahlteilerimpuls
geschlossen und zum Abschluss erfolgt
die Detektion der
Zustände das heißt an dieser Stelle habe
ich jetzt eine Atomwolke mit Atomen in
zwei unterschiedlichen Zuständen und das
Verhältnis dieser Zustände ist meine
meine Messgröße diese Atome sind ja im
schwererefeld gefallen jetzt in meinem
Beispiel unsere Laser standen
senkrecht auf der erfläche parallel zum
schwerveektor die Atome sind parallel
zum schwerveektor gefallen also möchte
ich jetzt wissen wie groß ist der
schwerwert an dieser
Stelle ich habe die Atome in diesen zwei
Zuständen das Verhältnis
daraus aus diesem Verhältnis groß P kann
ich mir die Atom mit derfometerphase
berechnen das ist groß Delta V an dieser
Stelle und dieses groß Delta pH
hängt mit der von mir gesuchten Größe
klein g mit dieser einfachen Formel
zusammen die natürlich ja eine
vereinfachte Darstellung ist tatsächlich
hängt noch ein Rattenschwanz aus
Korrekturen und Fehlern dran auf die ich
jetzt hier nicht genau eingehen
möchte beschrieben wurde das von Mark
kowic Steven Schuh
1991 1992 kam ein Paper raus dass diese
Methode zum ersten Mal beschrieben hat
für die Nutzung als gravimeter das
natürlich jetzt kein nichts was ich mit
ins Feld nehme sondern ein laboraubau
jetzt die Kurzfassung wir nutzen die
Möglichkeit dass Atome sich durch
Photonen also durch Laserlicht
manipulieren lassen um bestimmte
Messgrößen zu ermitteln das hängt davon
ab welche Geometrie haben die
Laserstrahlen also wir benutzen so
parallel zum schwere Vektor verlaufen
Laserstrahlen wir timen die in einer
bestimmten Sequenz und die Atome bewegen
sich auch in der Richtung in der wir
messen wollen würde ich die Atome auf
eine horizontale Flugbahn schicken würde
die Atome von der Seite mit drei
Laserpulsen Leuchten hätte ich einen
rotationssensor
gebaut also die Geometrie und das Timing
sind vielseitig ich habe hier ein
ähm eine Methode gezeigt die auch in den
von mir später gezeigten Geräten so
verwendet wird aber das ist ein weites
Feld schauen wir uns ein Beispiel an
terrestrisches gravimeter also hier der
Klassiker
m wenn ich in der Geophysik geodesier
ähnliches als nutz unterwegs bin also
ich habe ein messprojekt ich brauche
schwere Werte an verschiedenen
Orten dann kann ich das Gerät hier
kaufen
und ja Hydrologie in einer Region
erfassen Georisiken ein Vulkan
überwachen oder
ähnliches es gibt unabhängig von diesem
Gerät an verschiedenen Institutionen wie
nationalen metorologischen Instituten
und auch Universitäten als unabhängige
Entwicklung die nach dem ähnlichen
Prinzip wie hier
funktionieren es gibt auch eine Outdoor
Variante ähm wir haben gerade eben
gesehen das stand im Labor das hier ist
so die Outdoor Variante die Elektronik
baue ich in meinen KFZ ein Fahren im
Messpunkt setze die Tonne auf den
Messpunkt Messe ein paar Stunden und
fahre dann zum nächsten Punkt das ist
etwas was z.B ähm ja landesvermessungs
oder
bundesvermessungsbehörden tun um Höhen
und schwere Netze zu erhalten unabhängig
wo man jetzt so ein Gerät herbekommt
also selbstgebaut gekauft das
Messprinzip ist grob wie folgendes
schauen ob das hier auch läuft
ähm es wird eigentlich ein
freifallexperiment durchgeführt also
hier in dieser durchsichtigen Röhre da
fällt ein Ding nach unten und mit einem
laserfometer wird der Fallweg vermessen
diese Messung des feilweges wird mit
einem präzisen Oszillator also
rubidiumuhr z.B
zeitlich verortet das werfe ich dann in
die
vereinfachte beobachtungsgleichung hier
unten rein und dann habe ich dort mein
klein g und jetzt egal wo ich mein
klassisches Grit her bekomme das Prinzip
ist immer in etwa so wie hier aber das
ist schön
durchsichtig man sieht aber auch das ist
ein mechanisches
System das lasentfometer soll diesen
feilweg mit so Nanometer Genauigkeit
vermessen wir haben aber so eine sich
bewegende Mechanik das Instrument kommt
dadurch in Bewegung das heißt ich habe
bestimmte Anforderung an meinen
Untergrund
also was wir vorhin in den Laboren
gesehen haben da ist immer ein
Betonfundament dummerweise sind Labore
nie da wo interessante Signale sind
sondern da ist man dann irgendwo in dem
in dem Keller in dem Bergwerk in ein
Lagerraum oder ähnliches und muss mit
den Gegebenheiten Leben die man da
hat jetzt schauen wir uns ein
quantengraphimeter an hier ist mal so
eine allgemeine Schemazeichnung also
diese Sequenz die wir eben gesehen haben
mit diesem Strahlteiler Spiegel
Strahlteiler findet hier in dieser
langen Röhre statt
wir haben keinlei bewegte Elemente das
heißt die Anforderung an meinen Boden
oder an meinen Standort sind z.B schon
mal deutlich geringer
ähm im Gegensatz zum klassischen
Instrument kann ich hiermit
kontinuierlich messen also man kann sich
schon vorstellen m ich so ein
mechanisches System aber da gibt das
Verschleiß
das möchte man auf Dauer nicht betreiben
ähm die Messrate die wir gesehen haben
waren so einmal pro 10 Sekunden und in
der Regel sieht das so aus an einem
Standort wert pro Stunde 100
Einzelmessung gemacht dann misst man
über 12 Stunden also über Nacht dann hat
man nach einer Nacht 1200
Messwerte mit einem Gerät nach diesem
Prinzip habe ich 10 000 Messwerte in 12
Stunden das macht sich für die Statistik
sehr gut das macht sich für die
Unterdrückung von externen Einflüssen
wie Vibrationen durch Verkehr Menschen
oder ähnliches auch sehr
gut gleichzeitig messe ich hiermit in
der Regel auch komplett driftfrei wie
auch mit dem absolut gravimeter was ich
vorher gezeigt habe da die Eigenschaften
von Atomen sich nicht ändern durch
externe Einflüsse außer dass ich Laser
drauf schieße und ich nur den Laser und
insgesamt nur Frequenzen stabil halten
muss als ein Beispiel das hier ist ein
Design aus der Uni Hannover das
sogenannte qg1 links die CD Zeichnung
des Sensors rechts das Vakuumsystem aus
der Zeit des Aufbau des
Geräts das Gerät seit Ende letzten
Jahres auch auch Messwerte und der
Aufbau hier wenn man das Vakuumsystem
ansieht also von oben gibt das eine
Falle und dann fallt alles runter ist
also wie eben gezeigt seit 2017 gibt's
das erste kommerzielle quantengravimeter
der Firma myquanz heute
xbue kann man kaufen Kunden sind z.B das
Geoforschungszentrum Potzdam die das in
ein Outdoor Variante in einem
hydrologieprojekt
einsetzen das Bundes für kartoger für
geodesie oder auch ähnliche Behörden in
anderen europäischen
Ländern weiterer Vorteil dieser Technik
im Vergleich zur klassischen Technik ist
ich kann das auch auf mobilen Plattform
einsetzen
ähm wir sehen hier ein ja
flugseegravimeter von onara onara ist
eine französische öffentliche
Forschungseinrichtung
ähm dieser orange Kasten drumhum das ist
eine Plattform die das Gerät einfach
senkrecht hält um segang oder auch
Bewegung des Flugzeugs auszugleichen
und wir sehen ja schon der Sensor wird
immer kompakter hier ist natürlich nicht
dabei jetzt das Lasersystem und die
Elektronik des Geräts sondern nur der
der eigentliche
Sensor im Hintergrund noch mit so einer
roten Tonne sieht man so grob das
klassische Gerät was die gleichen
Aufgaben erfüllt das misst allerdings
mit einem
Federsystem das misst nur relativ das
heißt mein Fahrzeug also mein Schiff
Flugzeug bewegt sich und dann misst es
wie änder sich die schwer einem
bestimmten Ort da es ein Federsystem ist
hat es auch relativ große instrumentelle
Einflüsse durch driften und so ein
Federsystem kann angeregt werden dann
habe ich über längere Zeit auch keine
Messwerte kommen wir kurz zu den
Satelliten dafür möchte ich einen kurzen
Rückblick auf den 4 C3 geben da habe ich
intensiver über diese Mission Grace und
jetzt die Grace fall on Mission
gesprochen damit habe ich monatlich seit
2002 quasi ein ABB des Schwerefeldes der
kann also sehen Massen sind von da nach
da
gegangen ein Ergebnis hier wunderschön
von der Nase visuell aufbereitet ist
dann sowas wie der eismassenverlust auf
Grönland rechts zum Plott mit so einer
Zeitreihe wie das von Monat zu Monat
sich entwickelt hat und dann eine ja
geographische Verordung wo auf Grönland
ist dieser Massenverlust
ähnliches lästtig für hydrologische
Projekte machen
flusseinzugsgebiete in Europa im
Amazonas oder ähnliches zu meinem
Beitrag hatte ich damals Beispielcode
mitgegeben um die schwere felduswertung
selbst zu machen also z.B diesen
zeitreinplot hier
nachzuvollziehen das erste Bild was man
da raus bekam hat Sahan so aus also das
hier soll darstellen ähm den
Massenverlust in dem Zeitraum 2002 bis
2017 da würden wirwarten okay Antarktis
Grönland da müssen jetzt Signale sein
wir sehen hier aber nur so
Streifen die Einheit die hier dabei ist
das ist quivalente Wasserhöhe das
schwerdefeld einhitten in der Regel
unverständlich sind
0,00 m pro Sekunde Quadrat ist nicht so
griffig wie ähm hier ist eine schwere
Änderung die entspricht einer
Wasserschicht von 1 m auf der
Erdoberfläche in satellitenhöhe also ich
habe eine schwerere Änderung mit den
Satelliten gemessen und berechne mir
eine Wasserschicht auf der Erdoberfläche
die das verursachen
würde mit meinem Skript wird dann simpel
gefiltert mit einem räumlichen Filter m
und dann sehen wir nach 15 Jahren dass
wir Massenverlust haben in Grönland in
Alaska in der Antarktis wie wir erwarten
oder wir sehen in Nordkanada und
Skandinavien so geophysikalische
Prozesse wo Masse dazuekommen ist bitte
die Vorzeichen Plot ignorieren das ist
2017 - 2002 die Masse
m Nordkanada und Skandinavien sind
geophysikalische Prozesse das ist die
postglasiale Landhebung da sich das Land
dort immer noch hebt seitdem in der
letzten Eiszeit die die Eismassen
geschmolzen sind diese Beeinträchtigung
diese Limitierung die wir gesehen haben
hat drei Hauptursachen das ein ist die
Beobachtungsrichtung diese
Satellitenmission bewegt sich auf einem
polaren Orbit Nordsüdrichtung alle
Fehler die in irgendeiner Form
auftauchen werden in
dieseobachtungsrichtung
projiziert wir machen monatliche
Mittelwerte aber tatsächlich haben wir
hochvariable schwereänderung also in der
Regel durch Atmosphäre und Ozean die
werden natürlich durch Modelle
rausgenommen die Modelle sind aber nicht
perfekt
und womit wir uns beschäftigen wollen
ist ja die
sensorperformance auf diesen fürhtag 4
äußerst angemessenen Plot sehen wir die
dominanten instrumentellen fehlereffekte
das sind einmal der beschleunigungsmesse
also das Thema das Hauptthema und die
das Distanz Messsystem wir haben zwei
Missionen Grace und Grace follow on von
links unten nach rechts oben gehen die
fehlerkurven der distanzmesssysteme bei
grace ist Mellen messystem bei gracef on
ein Laser ranging
interfometer und diese schwarz
gestrichelte Kurve die nah zuu
horizontal verläuft dass ist der
Beschleunigungsmesser der sich zwischen
den Missionen nicht geändert hat und
auch für die nachfolgemission Ende der
2020er nicht ändern
wird das ist einmal so zum Anhalt die
Zeit für die Zeitachse das ist zu eine
orbitperiode 90 Minuten also ganz rechts
im Plot ist eine Sekunde ganz links sind
mehrere Tage
und diese ansteigende Flan die wir hier
sehen das ist einer der Gründe für diese
Streifen diese Flanke wollen wir gerne
reduzieren ganz kurz warum brauche ich
Beschleunigungsmesser der
Beschleunigungsmesser auf dem Satelliten
ist am freien Fall das heißt eigentlich
mis der Null wenn ich den gleichen
Beschleunigungsmesser hier hinstelle auf
der Erdoberfläche dann m der 9,81 m pro
Sekunde Quadrat also eigentlich ist der
Satellit im freien Fall der
Beschleunigungsmesser inen drin ist im
freien Fall Mist Null
ähm die Beobachtung mit der
satellitmission die ich gezeigt habe ist
die Distanz zwischen oder die
distanzänderung zwischen den zwei
Satelliten jetzt die Satelliten fliegen
hier auf den Berg zu der vordste
Satellit wird durch diesen Berg stärk
angezogen stärker beschleunigt das heißt
die Distanz zwischen Sateliten verändert
sich wir suchen also diese Größe M klein
Delta
gravity dummerweise messen wir auch
Störeinflüsse mit das sind
diese störinflässe Flüsse werden mit
einem Beschleunigungsmesser gemessen das
sind so nicht gravitative
störbeschleunigungen das der
Strahlungsdruck der Sonne die
restatmosphäre oder auch die
Rückstrahlung von Licht und
Infrarotstrahlung der Erde die
Schemazeichnung hier links ist so ein ja
Beschleunigungsmesser es gibt eine
Testmasse die von Elektroden umgeben ist
werden wir tatsächlich im freien Fall
dann wäre diese Testmasse zentrisch
zwischen den Elektroden jetzt wird der
Satellit durch reib gebremst das heißt
die Position ändert sich relativ vom
Satelliten zur Testmasse und ein
Regelkreis zentriert diese Testmasse
wieder also der Strom in diesem
Regelkreis ist die Messgröße für meine
Beschleunigung dieses Verhältnis muss
dann natürlich auch gelegentlich wieder
kalibriert werden jetzt haben wir eben
so ein Beschleunigungsmesser gesehen so
ein
gravimeter hier sehen wir das noch mal
wenn wir die Sensitivität steigern
wollen dann können wir dieses t
vergrößern also die das Zeitintervall
das kann ich im All auch auf mehrere
Sekunden machen also ich nehme erstmal
dieses Schema dreh das um 90° weil ich
ja in Flugrichtung messen möchte und in
dieser Richtung müssen die Laser
zeigen dann habe ich diesen
Beschleunigungsmesser und im All da ich
jetzt die Atome sind im freien Fall der
Satellit ist fast im freien Fall brauche
ich keine lange Fallröhre mehr also kann
ich auch ein T als Zeitintervall wählen
von ein Sekunde 2 Sekunden mehreren
Sekunden um die Sensitivität zu
steigern das heißt mein Ziel ist
eigentlich so diese Kurve jetzt hier so
abzuflachen mit meinem
quantensensor da wir nur von den
Eigenschaften der Atome abhängen
Frequenzen stabilisieren müssen gehen
wir davon aus dass wir so weißes
Rauschen oder nah am weißem Rauschen in
einem weiten Frequenzband bekommen und
die Lasertechnologie dafür gibt es halt
auch schon im All Missionen aus denen
man Erfahrung damit
hat solange ich noch den klassischen
Sensor mit an Bord habe habe ich für
diesen klassischen Sensor auch eine
Genauigkeitssteigerung da ich jetzt
dieselbe Messgröße von zwei unabhängigen
Messsystem gemessen
habe kommen wir einmal kurz zum state of
the art das ist relativ kurz dass den
Sensor den ich gerade beschrieben habe
den gibt's nicht sehr schön das ist
einfach der Grund dafür ist so die
Mangel technologische Reife also wenn
ich so eine teure Satellitenmission
starte die sehr wichtig ist also die
Überwachung des massentransports der
Erde da möchte ich da jetzt keine
Testsysteme mit drauf haben die sehr
viel Platz Gewicht und strumverbrauch
haben also sind wir noch soum Standort
im Bereich der
Grundlagenforschung es gibt aktuell in
Mikrogravitation oder in
Schwerelosigkeit an Bord der is das von
der NASA betriebene cold Atom
laboratory das wird in den nächsten
Jahren abgelöst durch das hier gezeigte
Bekal Experiment das ist
Forschungsinfrastruktur auf denen
Versuche durchgeführt werden können ähm
ist dadurch auch relativ
groß also nicht für ein Satelliten
gedacht auf der chinesischen Raumstation
gibt es ähnliches Experiment alternativ
dazu gibt es dann auf der Erde
falltormexerimente
einsteinelevatoren parabelflüge und
höhenforschungsraketen hier rechts sehen
wir so eine das ist das Maus 2 und 3
Experiment Maus 2 ist Anfang Dezember
geflogen aber hier sieht man das ist ein
komplexes Experiment und nicht ein
simpler Beschleunigungsmesser den kann
ich also auch nicht in mein Satelliten
schneiden und wenn man wenn wir hier
mayius 2 und 3 haben da gab es auch
maius 1 also diese Technologie die hier
gezeigt wird in diesen Experimenten ist
die Technologie die auch in den Geräten
die wir für die Erde Bauen verwendet
wird also das ist die Herkunft von z.B
diesem qg1 met
ähm also den Sensor gibt's nicht wir
wollen den aber haben m dann suchen wir
uns
Fördermittel im Rahmen des Horizon
Europe Cluster 4 das ist digital
industry and space ist das Ziel
formuliert innerhalb dieses Jahrzehnts
noch eine sogenannte Quantum space
gravometry passfer Mission zu starten
also eine technische Demonstrator
Mission explizit für so einen
quantenbeschleunigungsmesser der dann
perspektivisch im folgejahrzehnt auf
einer wie eben skizzierten Mission
eingesetzt werden kann also ähnliche
Förderprogramme gibt das auch bei
außerhalb Europas bei raumfahrtbehörden
wie der NASA oder der japanischen
Raumfahrtbehörde aber hier ist jetzt
explizit dieses Ziel äh definiert ähm es
gibt aktuell laufend an dem ich auch
beteiligt bin das sogenannte karioca PMP
das ist von der französischen
Raumfahrtagentur geführt mit 16 Partnern
aus sieben Nationen
am Ende des Projekts fliegt nichts also
erstmal die erste Phase dieses PF
Mission preparation das führt zu
Technologieentwicklung für ein
laboraufbau durch unter der hier
angegebenen Adresse die dann später auch
im Fahrplan in den Folien zu finden das
findet man die genauere Beschreibung und
auch ein entsprechendes per
dazu und Anfang des Jahres 2024 wird
dann ein Phase a Studie starten die
genauer definieren soll was soll dieser
technisch Demonstrator können also was
bedeutet funktioniert sozusagen und
welche Technologien müssen auf welchem
Weg entwickelt werden wer sich dann
jetzt beteiligen möchte es ist aktuell
ein offener call bis März bei der EU im
Horizon europrogramm für eine Phase B
Studie das Ziel dieser Studie ist dann
tatsächlich die Steigung des Reifegrades
der Technologien auf ja
tr67 das ist das
System ert die Funktion in einem
relevanten in einer relevanten Umgebung
oder in einer space
environment diese Phasen also diese
satellitmission sind phasengestörte
Abläufe immer mit Reviews zwischendrinne
also ist das technisch machbar ist das
gesamtprinzip überhaupt machbar und da
sind wir jetzt quasi am Beginn dieses
phasenzykluses um zu sehen ob man bis
Ende des jahrz so eine Mission starten
kann das war all wir kommen zurück auf
die Erde ich habe angedeutet also diese
quantenexperimente wie ich sie hier
gezeigt habe also Beschleunigungs
rotationssensoren oder auch
fundamentalphysik das ist im
universitären Umfeld sehr verbreitet und
das geht wirklich von so mobilen Geräten
die man halt theoretisch mit ins Feld
nimmt bis hin zu stationären
Experimenten mit einer Größe von ja 10
15 m um halt dieses Zeitintervall t zu
optimieren bis hin zu 100 m für die
gravitationswellend Detektion also
universitären UMF ist das sehr weit
verbreitet der Technologietransfer jetzt
also wie kommen diese Forschung
irgendwann in der Wirtschaft an das
funktioniert häufig sowohl in
Deutschland Europa als auch weltweit
über ja Fördermaßnahmen da die
technologische Schwelle wenn ich bisher
klassische Instrumente gebaut habe jetzt
quantensensorik bauen möchte sehr viele
neue Technologien
beinhaltet das Bundesministerium für
Bildung und Forschung hat z.B auf
quantentechnologien de so die
Quanten den Plan für die
quantentechnologieentwicklung der
Bundesregierung zusammengefasst
und ihre laufenden und abgeschlossenen
Förderprojekte gelistet und das reicht
noch von Grundlagenforschung mit
Firmenbeteiligung bis hinzu da muss am
Ende ein Vorserien Prototyp sein der
tatsächlich funktioniert diese
Förderprojekte dürfen teilweise auch
wirtschaftliche ein hohes Risiko mit
sich bringen also um explizit auch
kleine Firmen zu ermöglichen sich an
dieser Technologie zu
beteiligen wir sind aktuell gerade an
einem Projekt beteiligt dass die ja ein
quantenfluggravometer wie eben gezeigt
realisieren soll da sind zwei KMUs dabei
also kleine mittlere
Unternehmen aus dem Bereich der
klassischen Sensorik die jetzt quasi in
die quantentechnologie einsteigen
möchten mit so einem Unterfangen h haben
wir zusätzlich Herausforderung das
Flugzeug nicht still sondern das hat
Beschleunigung durch ja die Bewegung des
Flugzeuges selbst also das ist ähm ein
anspruchsvolles Projekt nicht nur von
der quantentechnologie
ähm und am Ende des Projektes soll
tatsächlich der Prototyp in einer
geodetischen ja Messkampagne
entsprechendes
ähm ein entsprechendes flugprojekt
letztenendes durchführen können
ähm die Zusammenfassung also es gibt
Quantum sensing also nicht nur Computing
und so weiter sondern man kann damit
messen tatsächlich
es wird sich versprochen teilweise ist
das in dem Bereich der Gravimetrie auch
durchaus der Fall dass wir hier eine
vergleichsweise oder höhere Genauigkeit
haben mit weiteren Vorteilen z.B eine
Reduktion der Messtechnik mit meinem
quantengravimeter das kann zwei Aufgaben
erfüllen wo ich sonst zwei Geräte für
bräuchte also die Punktmessung ich komme
einmal Messe mein schwerwert oder ich
registriere über einen langen Zeitraum
dass ich mit klassischer Technologie in
zwei Geräten
Vereine und dadurch verinert sich dann
auch der Zeitaufwand z.B in so mobilen
Anwendung im Vergleich zu klassischen
Instrumenten es ist ein weltweites
Forschungsthema bei uns und anderswo
sind dazu auch Stellen offen
durchaus insbesondere für die
Beschleunigungsmesser und gravimetal
sind das wirklich
also Forschungsbereich an vielen
Universitäten und nationalen
Forschungsinstitutionen und der
Technologietransfer da istmer die Frage
äh Transfer oder Innovation value of
death das ist teilweise nur bedingt
nur durch Fördermittel wirksam teilweise
haben wir ja Spinoffs die
Einzeltechnologien dann weiter
verbreiten aber jetzt die Firma die von
sich heraus mit dem ja
Beschleunigungsmesser beginnt die habe
ich bis jetzt noch nicht gefunden damit
soll das von mir zu Ende sein ähm die
Folien und die äußerst lange
Literaturliste die lege ich im Fahrplan
ab da kann sie jeder ähm
sich gerne ansehen ich habe drauf
geachtet dass es größtenteils Open
Access ist und damit vielen Dank für die
Aufmerksamkeit mein
Kontakt genau lieben Dank also wir haben
akustisch Detektoren hier im Saal und
wir haben ein Signal Angel der als
internetdetektor arbeitet auf den
masterd auf Matrix und auf IRC wir sind
hier in Zahl Z also s also Hash
37c3 Saal Z oder demementprechenden IRC
Kanal also Mikro Nummer
4 vielen Dank für den interessanten Talk
mich würde einmal interessieren was für
chemische Elemente in diesen Detektoren
benutzt werden also das verbreit ist
Rubidium das hat den
Vorteil solange man über ein laboraufbau
redet kann telekommunikationslaser dafür
benutzen ich muss nicht noch mein
eigenen Laser dafür bauen darum Rubidium
scheint auch insgesamt einfach zu
handhaben sein im Vergleich zu anderen
Sachen wiebium oder so das ist so ich
bin kein Physiker das ist mein
Verständnis
davon kann es sein dass es eine frage
gibt an Mikro 2 oder nur Leute die
rumstehen die waren rumehen ich sehe D
unsere internetdetektor hatt gepinkt wo
ist das
Internet
da
ja wie weit müssen die Messwerte an die
Umlaufbahn des Mondes angepasen werden
wegen der Auswirkung auf die
Gravitation also für die für die
einflussung also sowohl bei der bei dem
gravimeter was ich hier hinstelle als
auch am Satelliten
die Gezeiten also direkten Gezeiten also
Attraktion Sonne Mond der Planeten der
Größen Asteroiden wird durch Modelle
rausberechnet das geht relativ gut da
die Bahnen ähm ja sehr gut bekannt sind
also das wird per Modell per Gezeiten
Modell
rausgerechnet Mikro Nummer ein ja vielen
Dank erstmal was mich interessieren
würde wie sind denn die
Messunsicherheiten von dem
quantengravimetra im Vergleich zu den
klassischen
Instrumenten also wir hatten ein Projekt
zusammen mit der hum Universität Berlin
die haben in einem Institut so ein Gerät
aufgebaut
seit Mitte der 2000er
m das gesamt fehlerbudget also des
Sensor selber das war dann zum Schluss
im Bereich von dem was mein klassischer
Sensor hat laut
Herstellerbeschreibung und die
Unsicherheiten der Messung sind insofern
besser weil es halt mit ungefähr ein
herzmist
wochenlang durchgängig und ich in der
Regel für den Vergleich mehrere
tageemessen habe aber in der Regel ein
bis zwei Tage pro Punkt Messe also da
man kann nicht sagen dass ist jetzt hier
ein Z dre Größen und besser aber die
sind halt nicht davon entfernt vom
klassischen Sensor aber das heißt der
der Vorteil besteht hauptsächlich
einfach in der Mehrzahl der Messungen
und nicht darin dass eine Einzelmessung
sozusagen für sich einfach eine viel
geringere mess undsicherheit hat das
kann man so pauschal nicht sagen also
wenn ich diesen Parameter dieses
Zeitintervall mir anschaue zwischen
Laser Pulsen da bin ich bei einem Gerät
d Ich hinstelle begrenzt dadurch wie
groß ist mein
Gerät also ich habe eine hohe Datenrate
aber ich habe eine geringe Sensitivität
durchmittelung wenn ich davon ausgehe
dass alles normal verteilt ist komme ich
zu einer guten Statistik dieses Gerät
aus Berlin das ist so ausgelegt dass es
durch noch durch eine Tür passt das
heißt ich habe
eine dieses Zeitchen dabei sind ein paar
100undert Millisekunden im Vergleich zu
ein paar Zehner Millisekunden
habe niedrige Datenrate aber der
einzelne Versuch ist dadurch deutlich
besser also das kann man so pauschal
nicht sagen das hängt von mehr ab als
nur ich schieße Laser auf Atome sondern
da geht noch ein bisschen mehr rein
danke gibt's noch eine Frage aus dem
Internet ja es klang so als wä der
übertragene Impuls durch die Laser
ziemlich genau definiert soll es
bedeuten dass die Positionen der Atome
so gar nicht genau messen gewerden kann
wie funktioniert das denn mit der
Detektion der
Atome also der für das hier gezeigte
Prinzip für Rubidium mit dem zweifotonen
rahmenübergang da ist so der Kick hat
eine rückstoßgeschwindigkeit von so 10
mm pro Sekunde ungefähr
m wir passen die da die Atome auch
fallen dadurch Geschwindigkeit aufbauen
muss auch die Laserfrequenz des einen
Lasers leicht angepasst werden also der
Laser ist quasi so der mit fliegende
Maßstab ähm da durch die Wellenlänge hat
man dann da eine sehr gute Auflösung ähm
was war der letzte Teil der Frage
äh wie funktioniert das denn mit der
Direktion der Atome indem ich alle Atome
genau okay die Detektion das wird auch
in der Regel durch ja Beleucht mit
Laserlicht gemacht ähm es werden
zunächst ein Zustand gezielt in den
anderen Zustand transferiert habe
dadurch eine Beleuchtung ein bestimmtes
Licht dass ich detektieren kann und im
zweiten Schritt werden einmal alle Atome
zum Leuchten gebracht also alle Atome in
den anderen Zustand befördert dann habe
ich quasi zwei Beleuchtungsverhältnisse
das ist eine Möglichkeit in Instrumenten
die Bose einsteinkondensate benutzen
wird durchaus auch das ganze mit Kameras
diese Wolke zur Detektion fotografiert
und durch bildbearbeitungsverfahren
ausgewertet ist aber nicht also ich
hätte nur gerne diesen g WT
also trotz den Beamer strahung habe ich
detektiert dass es eine frage gibt ein
Mikro Nummer 3 hallo hallo ja ich habe
zwei Fragen zum einen ihr nutzt ja
telekommunikationslaser das heißt
wahrscheinlich im nahen ir oder roten
Lichtbereich habt ihr es schon mal mit
molekülorbitalübergängen probiert statt
mit Atomen weil die das funktioniert
auch prinzipiell und das andere ist ihr
seid ja bei raumanwendung das heißt ihr
müsst abschirmen wegen Sonnenwinden und
ähnliches inwiefern habt ihr da schon
Gedanken gemacht und ist das eine der
Hauptschwierigkeiten bei eurem
Projekt also zur ersten Frage das ist
eine super Frage für ein Physiker also
alles also die Instrumente und Verfahren
die ich bisher so gezeigt habe basieren
auf diesen paper cas zu 91 also
größtenteils mit
Rubidium im Labor Aufbau die Laser die
haben glaub ich
160 Nanometer das wird auf 780 für den
Versuch
transferiert Moleküle grunds ich bin ich
mir bewusst dass das wahrscheinlich
möglich ist aber für diese Anwendung ist
mir das jetzt nicht
bekannt für Weltraum da
sind glaube ich keine größeren
Anforderung als an den normalen
Satelliten aber das ist auch ein Ding
was wir jetzt unseren Folge Phasen für
diese technische demonstratormissionen
dann uns genau ansehen müssen alles klar
vielen
Dank Mikro
4 hallo wir haben sehen auf der großen
Karte dass Kanada und Skandinavien
hochgehen es gab noch einen riesigen
blauen Fleck im Süden Afrikas wissen wir
was da passiert ist
ähm gute Frage also an diesem das war
auch n
eine lass mich kurz hier in meine Folie
gucken damit das All sehen
können irgendwo
ähm g ich kann das so pauschal nicht
sagen also auch in dem gezeigten Bild
waren ja immer noch
ja Artefakte drinne das war jetzt nur
eine räumliche Filterung in der Regel
schaut man sich explizit an was man das
Gebiet das man untersuchen
möchte welche Faktoren gibt es dort noch
also wenn ich jetzt mir den
meerpielanstieg in ostse ansehen möchte
dann muss ich halt wissen okay das Land
hebt sich d durch habe ich einen
negativen mehesspiegelanstieg weil das
Land ganz einfach schneller ist als der
mehesspiegel und so wird das auch in dem
Bereich von Afrika sein das kann ich
jetzt so
pauschal nicht nicht sagen müssen wir
vielleicht gleich mal treffen und den
Plot
angucken
danke haben wir noch Fragen von den
Internet
ja kann man mit der Technik auch
feststellen ob in meinem Grundstück
Grundwasser gefördert werden kann ist
eine solche Messung für Privatanwender
erschwinglich also die Satellitendaten
sind frei verfügbar die Auflösung ist
nicht so dass man jetzt ähm einzelne
Gemeinden auf stät auflösen kann also
wir sind bei satellitmethoden bei einer
Größe im Bereich 100 Kilometer wir
versprechen uns durch auch verbesserte
Sensorik das runter zuubekommen wenn ich
jetzt terrestrisch messe dann ist das
das insofern schwierig weil ich in der
Regel den Absolutwert des Wassers im
Boden nicht kenne sondern ich kann sagen
okay ich habe heute gemessen ich messe
jetzt alle drei Monate für 5 bis 10
Jahre dann kann ich sagen okay das ist
die Änderung im
Schwerefeld Lokal betrachtet ist
wahrscheinlich dass das größtenteils
dundwasser ist wenn ich jetzt wie gesagt
in Hamburg bin dann kann es auch sein
dass es Salz im Untergrund ausgewaschen
wird also vielleicht ein hohraum
entsteht wenn ich in einer Region bin wo
Bergbau im Untergrund ist dann kann es
auch daran liegen ähm das muss also
lokal betrachtet werden
ähm wenn man sich speziell für sein
Grundstück dafür interessiert dann ist
vermutlich das beste eine
grundwasserabbohrung dafür zu machen
weil halt der absolute Ausgangswert der
ist halt nicht bekannt wir haben das
akkumulierte schwere Signal und nicht
ähm ein Messgerät das
schwerkraftänderung nur durch Wasser
oder so
bestimmt ganz herzlichen
Dank
[Applaus]
[Musik]