Ein neues Zeitalter der Quantenmesstechnik begrüßen
Die Metrologie ist der Wissenschaftszweig, der sich mit der Rückverfolgbarkeit, Genauigkeit und Konsistenz von Messungen befasst. Das Internationale Einheitensystem (SI) hat traditionell die globalen Normale und Definitionen für physikalische Einheiten festgelegt, die all diesen Messungen zugrunde liegen. In der Praxis bedeutet das, dass seit dem 19. Jahrhundert das Referenzkilogramm oder der Referenzmeter in Paris aufbewahrt wird. Die nationalen Metrologienormale wurden dann anhand dieser Normale kalibriert.
Universelles Quantennormal für elektrische Ströme
Im Jahr 2019 wurde jedoch das Internationale Einheitensystem in Bezug auf die fundamentalen Naturkonstanten neu definiert. Das bedeutet, dass viele Maßeinheiten nicht mehr mithilfe einer speziellen Methode oder bestimmten Vorrichtung realisiert werden müssen. Auf diese Weise eröffneten sich neue Möglichkeiten zur Durchführung genauer Messungen elektrischer Ströme auf Quantenebene, da fundamentale Konstanten gefunden und bestätigt werden konnten. Das Ziel des EU-finanzierten Projekts QUANTUM E-LEAPS bestand darin, die Quantenmetrologie im elektrischen Bereich voranzubringen. Dabei lag der Schwerpunkt auf einem fundamentalen Prozess, dem kohärenten Quanten-Phase-Slip-Effekt (CQPS). Zu diesem Zweck untersuchte das Projektteam supraleitende Nanodrähte, d. h. Drähte mit Durchmessern im Nanometerbereich. „Abschnitte von Nanodrähten weisen Energieschwankungen auf, die dem Strom augenblicklich widerstehen“, erklärt Projektkoordinator Antti Kemppinen vom Technischen Forschungszentrum Finnland VTT. „Wir wollten herausfinden, ob dieses als Quantenphasensprünge bekannte Phänomen als dynamisches äquivalentes Quantennormal für die Spannung dienen kann.“
Integriertes CQPS-basiertes Stromnormal
Die Wissenschaft hat seit langem vorausgesagt, dass die Physik in diesem Bereich dem bestehenden quantenbasierten Spannungsnormal, den sogenannten Josephson-Kontakten, ähneln würde. Das Team konnte erfolgreich nachweisen, dass ein auf CQPS beruhendes Normal tatsächlich in existierende Spannungsnormale integriert werden kann. „Wir haben Beweise für das wesentliche Phänomen gefunden, nach dem wir gesucht haben“, sagt Kemppinen. „Es handelt sich aber immer noch um Grundlagenforschung. Die Arbeit konzentrierte sich darauf, unser Verständnis der physikalischen Grundlagen zu verbessern.“
Elektrische Messungen vereinfachen
Das endgültige, langfristige Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines Quantenstromnormals, das auf dieser fundamentalen Konstante der Natur basiert. Der Hauptvorteil wäre Benutzungsfreundlichkeit durch vereinfachte elektrische Messungen. „Ein gutes Beispiel für dieses Potenzial sind die globalen Satellitennavigationssysteme“, fügt Kemppinen hinzu. „Es besteht keine Notwendigkeit, Satelliten zur globalen Positionsbestimmung zu kalibrieren, da sie auf fundamentaler Metrologie, der Atomuhr, beruhen.“ Atomuhren messen die Zeit, indem sie die Resonanzfrequenz von Atomen überwachen, und funktionieren extrem genau. Auf diese Weise können sie die Positionsdaten direkt an Ihr Smartphone senden, ohne dass ein Wissenschaftsteam Ihr Telefon feineinstellen oder bedienen muss. „Bei jeder Art von Gerät kann die Benutzungsfreundlichkeit ebenso wichtig wie die Leistung sein“, betont Kemppinen. „Denken Sie an ein Auto. Selbst wenn Ihr Fahrzeug ein hervorragendes Gaspedal hat und technisch brillant ist, hat es wenig gesellschaftlichen Nutzen, wenn Sie eine wissenschaftlich versierte Person brauchen, um es zu fahren.“ Die Ergebnisse des Projekts QUANTUM E-LEAPS bereiten nutzungsfreundlichen Quantenstromnormalen den Weg, die die von der Elektronikindustrie geforderten messtechnischen Kalibrierungen vereinfachen könnten. Resultat dessen könnten im Endeffekt direkte Anwendungen auf dem boomenden Gebiet der Quantentechnologien, in der Sensorik, Kommunikation oder auch Informationsverarbeitung auf der Grundlage von Quanten sein.
Schlüsselbegriffe
QUANTUM E-LEAPS, Quanten, elektrisch, Metrologie, Energie, Nanometerbereich, CQPS
