„Unser Traum ist eine hochaufgelöste Kartierung der Gravitation am Ätna in Echtzeit“

MuQuans (µQuans) aus Bordeaux ist auf Quantensensorik spezialisiert. Unter anderem hat das Spin-Off des Institut d’Optique d’Aquitaine ein neuartiges Quanten-Gravimeter entwickelt, mit dem absolute Gravitationsmessungen in µGal-Auflösung (Milliardstel der Erdbeschleunigung) möglich sind. Gründer und Geschäftsführer Bruno Desruelle spricht im Interview über lange Messreihen am sizilianischen Vulkan Ätna, technologische und wirtschaftliche Perspektiven der Quantensensorik sowie über die Fördersituation im Bereich der Quantentechnologien.

Monsieur Desruelle, können Sie uns Ihr Unternehmen µQuans bitte kurz vorstellen?

Bruno Desruelle: µQuans ist ein auf Quantentechnologie spezialisiertes Hightech-Unternehmen, das seit fast zehn Jahren besteht. Unser breites Portfolio aus Hochleistungs-Messlösungen basiert auf der Quantenmanipulation von lasergekühlten Atomen. Dazu zählen Quantengravitationssensoren für den Geophysikbereich sowie leistungsstarke Atomuhren für die Zeit- und Frequenzmesstechnik. Auch bieten wir spezifische Laserlösungen für die quantenphysikalische Grundlagenforschung oder auch für Anwendungen optimiert sind. Unser Unternehmen hat seinen Sitz in Bordeaux, beschäftigt 30 hoch qualifizierte Mitarbeiter und ist eng mit der akademischen Forschung verbunden. Das ist im Bereich der Quantenoptik unerlässlich. Denn wir integrieren ständig Erkenntnisse der Grundlagenforschung und ergänzen unser Team durch hervorragende Experten. Wir arbeiten eng mit der LP2N - Institut d'Optique Graduate School Bordeaux und dem LNE-SYRTE - Observatoire de Paris zusammen. Dort wurde in den 15 bis 20 Jahren vor unserer Gründung auch der technologische Kern unserer Produkte entwickelt.

Was sind die wichtigsten Skills für ein Quantentechnologieunternehmen?

Desruelle: Um mit den Atomen zu spielen, muss man die Natur in dieses Regime zwingen: Man braucht Ultrahochvakuum, präzise Kontrolle der Magnetfelder, sehr spezifische Lasersysteme mit genau kontrollierten Frequenzen und so weiter. Andererseits ist es unser Ziel, dass Anwender unsere Systeme bedienen können, ohne Quantenphysiker hinzuzuziehen. Im Sinne der Usability verstecken wir die Komplexität vor den Anwendern. Dazu bedarf es unter anderem sehr guter Software. Alles in allem brauchen wir hochspezialisierte Spezialisten für Laser, Optik, Elektronik, Software und Engineering und eine enge Anbindung an die Wissenschaft.

Sie haben auf der LASER 2019 von Messungen am Vulkan Ätna berichtet. Worum geht es da?

Desruelle: Vor einigen Jahren haben uns italienische Geophysiker kontaktiert, die ein umfassendes Schwerkraft-Monitoring des Vulkans planen. Hierfür haben wir unser Absolutes Quantengravimeter entwickelt. Wir gehen davon aus, dass die gesamte Instrumentierung bis Juni 2020 aufgebaut sein wird. Im Prinzip geht es darum, das Gravitationsfeld an der Oberfläche zu kartieren, um hochauflösende Informationen darüber zu erhalten, was sich unter der Oberfläche befindet. Gibt es Kavitäten? Und wenn ja, sind sie leer oder mit Flüssigkeiten oder Steinen gefüllt? Wir können diese Informationen aus der Größe des Gravitationsfeldes ablesen. Durch die langfristige Beobachtung des Vulkans wollen wir ein besseres Verständnis der Prozesse im Inneren des Vulkans erreichen. Wenn etwa Magma fließt, gibt es Ausschläge im Gravitationsfeld. Langfristig ist es unser Ziel, Ausbrüche vorherzusagen, um Zeit für eine Evakuierung zu gewinnen. Unser Traum ist eine räumliche hochaufgelöste Kartierung der Gravitation am Ätna in Echtzeit. Unser Absolutes Quantengravimeter ist bereit. Es ist nahezu wartungsfrei und führt Schwerkraftmessungen mit µGal-Genauigkeiten über Monate oder sogar Jahre hinweg voll automatisch durch.

Wie beschreiben Sie Nicht-Technikern die Funktion Ihres Absoluten Quanten-Gravimeters?

Desruelle: Man kann es mit einem Newton-Experiment vergleichen; aber statt des Apfels lassen wir eine Wolke aus lasergekühlten Atomen in eine Vakuumkammer fallen. Aus der vertikalen Beschleunigung dieser frei fallenden Atomwolke können wir die Gravitationskräfte ableiten. Das ist die einfache Version der Erklärung. Tatsächlich hat es Jahre gedauert, das System zu miniaturisieren und dabei sicherzustellen, dass die Kühlung der Atome im Mikro-Kelvin-Maßstab dabei zuverlässig funktioniert. Wenn wir den Laser ausschalten, fällt die Wolke. Um die Beschleunigung zu messen, haben wir ein Atom-Interferometer entwickelt, das schwerkraftempfindlich ist und die Wellencharakteristik der gekühlten Atome ausnutzt – ein hoch komplexes Verfahren. Es ist uns gelungen, einen raumfüllenden Versuchsaufbau in ein kompaktes Messgerät mit einem Sensorkopf von 38x70 cm und 25 kg zu übertragen, das typischerweise mit 250 Watt Strom arbeitet. Seine Funktion im Ätna-Projekt ist die absolute Gravitationsmessung. Die Geophysiker planen, ein Netzwerk aus vielen kleinen MEMS-basierten Gravimetern auf der Oberfläche des Vulkans zu installieren. Unser Absolutes Quantengravimeter wird Referenzdaten sammeln, um die Drift der MEMS-Gravimeter zu kompensieren. Sollte die Qualität der kleinen Gravimeter nicht ausreichen, ist es auch denkbar, unser Messinstrument zu verschieben und so nach und nach eine Karte zu erstellen.

Was sind die Vorteile der Quanten-Gravimetrie gegenüber anderen Verfahren?

Desruelle: Erstens liefert sie sehr präzise Messergebnisse in µGal-Auflösungen; dies entspricht einem Milliardstel der Erdbeschleunigung. Zweitens liefert sie einen absoluten Gal-Wert ohne Drift über einen extrem langen Zeitraum, was sie für die Langzeitüberwachung prädestiniert. Drittens ist unser System einfach zu bedienen und robust. Wir haben keinerlei bewegliche Teile in unserer Vakuumkammer und verwenden äußerst zuverlässige Laser aus dem Telekommunikationsbereich. Dieses Paket macht es für geophysikalische Anwendungen sehr interessant. Die meisten heutigen Gravimeter leiden unter hohem Drift und sind temperaturempfindlich. Das erschwert es Anwendern, echte geophysikalische Signale von falschen Messungen zu unterscheiden.

Sind µGal-Auflösungen nicht viel zu fein? Wie kompensieren Sie andere Vibrationen?

Desruelle: Dies ist in der Tat ein Problem. Wir mussten eine Lösung finden, um „seismischen Noise“ zu kompensieren, der vom Straßenverkehr und teils auch von den Touristenmassen am Ätna herrührt. Diese seismischen Störsignale überschreiten den µGal-Bereich um Größenordnungen. Unsere Lösung stammt aus jahrelanger gemeinsamer Forschung mit der LNE-SYRTE in Paris: Es handelt sich um eine sehr leistungsfähige Hybridisierungstechnik. Sie kombiniert das atomare Messsignal unseres Gravimeters mit Messungen eines klassischen Beschleunigungssensors und nutzt Echtzeit-Datenverarbeitung, um den „seismischen Noise“ herauszurechnen – und letztlich zu unterdrücken.

Welches Marktpotential trauen Sie der Quanten-Sensorik zu und wo liegen die Einsatzfelder?

Desruelle: Ich bin von ihrem Marktpotenzial für ein sehr breites Anwendungsspektrum überzeugt. Wir können Quantentechnologien für verschiedenste Messungen einsetzen; in der Regel dort, wo höchste Präzision erforderlich sind. Weltweit sind Quanten-Start-ups und Forschungsprojekte im Aufwind. Eine wichtige Anwendung sind Schwerkraftsensoren. Auch Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Magnetometer oder Uhren auf Basis der Quantenoptik werden ihren Weg in verschiedenste Märkte finden. In der Raumfahrttechnik oder in U-Booten, in globalen Positionsbestimmungssystemen und zahlreichen weiteren Anwendungen sind extrem leistungsstarke Lösungen gefragt. Zudem sehe ich Potenziale in Massenmärkten wie dem autonomen und elektrischen Fahren sowie im medizinischen Imaging. Der industrielle Einfluss wird in den kommenden zehn oder zwanzig Jahren deutlich zunehmen.

Seit Ihrem Gründungsjahr 2011 hat die Quantentechnologie große Fortschritte gemacht. Wie nehmen Sie den Markt und die Fördersituation wahr?

Desruelle: Anfangs waren wir allein auf weiter Flur. Es schien nahezu verrückt, die Quantensensorik für reale Anwendungen auf ein industrielles Niveau zu heben. Die Leute haben uns belächelt. Heute ist die Situation völlig anders. Es gibt ein breites Verständnis für das Potenzial von Quantentechnologien. Start-ups entstehen. Regierungen sind daran interessiert, die Entwicklung zu beschleunigen und investieren Milliarden in die Finanzierung von Forschung, frühen industriellen Anwendungen und Start-ups. Viele Interessengruppen – private Investmentgesellschaften oder öffentliche Einrichtungen – sind an dem Thema interessiert und investieren. Das ist alles sehr erfreulich! Obwohl wir vielleicht etwas zu früh angefangen haben, ist µQuans immer noch da – und unseren Wettbewerbern um Jahre voraus.

Photonik-Branchenportal
Newsroom
Informationsplattform

Informieren Sie sich über die neuesten Entwicklungen der Photonik in Industrie, Wissenschaft und Gesellschaft.

Photonik-Branchenportal
Oszillierende Schallwellen
Newsroom
Meinungen & Insiderwissen

Die unterschiedlichsten Akteure der Photonikbranche zu ihren Meinungen, Erfahrungen und Prognosen.

PHOTONICS Interview
Newsletter
Newsroom
Informiert bleiben

Der kostenlose Newsletter informiert Sie regelmäßig über die neuesten Entwicklungen und liefert alle News zur Messe.

Newsletter