Aktivitäten

Das 7. opticlock Treffen war als abschließendes Treffen gedacht, um alle Ergebnisse der beiden entwickelten Geräte (der Uhr-Demonstrator und die lineare Multi-Ionenfalle) vorzustellen und sie in Betrieb zu nehmen.
Die Corona-Virus Krise hat das Projektteam jedoch kurz vor der Ziellinie gestoppt. Eine Verlängerung des Projekts wurde unausweichlich, die aber vom Projektträger VDI bereitwillig genehmigt wurde. Das neue Enddatum ist jetzt der 31. Oktober 2020.
Aus gleichem Grund wurde das halbtägige Projekttreffen am 30. April 2020 in einer virtuellen Umgebung abgehalten, mit mehr als 20 Teilnehmern an ebenso vielen verschiedenen Orten.
Im Verlauf der vergangenen sechs Monate wurde das Uhrenlasersystem erfolgreich in die Racks des Uhr-Demonstrators integriert. Damit begann die finale Phase der Charakterisierung und Evaluation, die momentan in vollem Gange ist. Die Spezifikationen werden sorgfältig vermessen und ein Vergleich mit den PTB Laboruhren wird durchgeführt. Die Robustheit und Praktikabilität wird gekennzeichnet durch die jetzt schon sehr hohe Betriebsdauer von > 80% der Gesamtlaufzeit. Sobald die Fehlerbehebung und das Feineinstellen abgeschlossen und alle entscheidenden Parameter gemessen sind, soll eine wissenschaftliche Publikation verfasst werden, um die Ergebnisse dieses Projekts präzise zu beschreiben.
Die Gruppe, die an der linearen Multi-Ionenfalle arbeitet, erzielte einen Durchbruch, als sie Anfang des Jahres erfolgreich das Fangen einer Kette von Ionen demonstrierte. Im folgenden wird sie mit dem Abgleich der Mikrobewegung, dem Versuch, Ionen von Segment zu Segment zu verschieben, und einer ausführlichen Charakterisierung des Systems fortfahren.
Die Aufgaben, die durch die Corona-Virus Einschränkungen beeinträchtigt wurden und deshalb weiterhin offen sind, werden umgehend fortgesetzt, sobald normale Arbeitsbedingungen in den verschiedenen Laboren wieder möglich sind.
In der Zwischenzeit haben die Planungen für die Zeit nach dem Projekt begonnen. Diese umfassen sowohl verschiedenste Aktivitäten der Öffentlichkeitsarbeit als auch den ersten Transport des Uhr-Demonstrators und seinen Betrieb bei einem interessierten Endnutzer.

Seit vergangenen Herbst sind alle Module von opticlock in die 19" Schränke eingebaut, wie die beiden Bilder zeigen. Momentan wird an der finalen Inbetriebnahme gearbeitet. Im Anschluss daran geht es mit der Charakterisierung von opticlock und dem Vergleich mit anderen Uhren weiter.

Am 27. und 28. November 2019 traf sich das opticlock Projektteam an der Uni Siegen, um den Fortschritt der Projektmeilensteine zu besprechen. Gastgeber waren die Projektpartner aus Christof Wunderlichs Arbeitsgruppe.

Der opticlock Demonstrator, d.h. die zwei transportablen 19" Schränke, ist jetzt vollständig mit den Submodulen ausgerüstet. Der 871nm Uhrenlaser, der das letzte zu integrierende Submodul war, wird im Moment fein abgestimmt und charakterisiert als auch in die zentrale Steuersoftware eingebunden. Sobald diese Schritte abgeschlossen sind, wird dieser Uhrenlaser mit dem sogenannten Physics Package verbunden, das die Vakuumapparatur und die Ionenfalle enthält. Regulärer Uhrenbetrieb in seiner endgültigen Konfiguration wird dann gestartet werden, gefolgt von einer sorgfältigen Test- und Evaluationsphase gegen andere Uhren (optisch und Cäsium) der PTB. Parallel zu den beschriebenen Arbeiten hat sich das Team auf die Robustheit, die Benutzerfreundlichkeit und den autonomen Betrieb der anderen Submodule konzentriert.

Außerdem haben die Gruppen der Uni Siegen und der PTB erfolgreich das neuartige lineare Fallen System zusammengesetzt (war nicht als Teil des Demonstrators beabsichtigt) und sie sind kurz davor, zum ersten Mal ein erfolgreich gefangenes Ytterbium Ion zu zeigen.

Das Projekt wird am 30. April 2020 nach 3 Jahren enden. Wir sind sicher, bis dahin alle Projektziele zu erreichen:

• Kompaktheit: Zwei 19" Schränke, < 1000 kg, < 1 kW
• Genauigkeit: 10x besser als Wasserstoff-Maser
• Hoher Grad an Benutzerfreundlichkeit
• Hoher Grad an Automatisierung
• Fehlererkennung und -behebung
• Betrieb in Nicht-Labor-Umgebung
• Einfacher Transport und zügige Wiederinbetriebnahme

Wir freuen uns, opticlock bald in den Dienst zu stellen und der Öffentlichkeit vorzustellen zu dürfen. Erste Anfragen von interessierten Gruppen haben uns schon erreicht.

Das opticlock Team hielt das fünfte Gesamtprojekttreffen am 15. und 16. Mai 2019 bei HighFinesse in Tübingen ab.

Im Beisein von Vertretern des Projektträgers BMBF/VDI wurde der bedeutende Meilenstein, ein ¹⁷¹Yb⁺ Ion unter Benutzung der entwickelten Module zu fangen, erfolgreich demonstriert. Darüber hinaus gab es eine Live Vorführung von vollständigem Uhrenbetrieb mittels Fernzugriff auf das opticlock System an der PTB. Zu diesem Zweck wurde vorübergehend ein PTB Laboruhrenlaser an das opticlock Physics Package angeschlossen.

Die Entwicklung des eigentlichen Uhrenlasers wird diesen Sommer abgeschlossen werden und er wird somit das letzte Modul sein, das integriert wird. Aktuellen Tests nach zu urteilen, scheint die geforderte Frequenzinstabilität von < 1,5 x 10^-15 (1 … 100 s) mit diesem Uhrenlaserdesign erreichbar zu sein.

Das gesamte System wird jetzt schon von einer zentralen Experimentsteuereinheit (HW und SW) betrieben, das Dienste wie beispielsweise eine Vielzahl an Eigenschaften zur Uhrenautomatisierung, das Erfassen aller zugänglichen Systemparameter in einer zentralen Datenbank, und eine grafische Darstellung von Input- und Output-Parametern in einem intuitiven und konfigurierbaren GUI-Cockpit anbietet.

Aufgrund der erwähnten vorläufigen Uhrenbetriebstests und des resultierenden Unsicherheitsbudgets schätzen wir, dass eine Langzeitinstabilität von < 10^-17 realistisch sein wird und somit das ursprüngliche Ziel, 10 Mal stabiler als Wasserstoff-Maser zu sein, übertrifft.

Das Projekt wird kontinuierlich auf verschiedenen Konferenzen, Messen, Treffen und Seminaren präsentiert. Eine davon ist die anstehende LASER World of Photonics Messe in München, für die ein Video produziert wurde, das eine Einführung in Laseranwendungen inklusive Quantentechnologien, insbesondere die Vorteile von optischen Uhren und der transportablen opticlock gibt (abrufbar unter https://videos.messe-muenchen.de/de/detail/4S9drwfis_Zxo8c2uR6pnm).

Am Montag und Dienstag, 7. und 8. Mai 2018 hat sich das opticlock Team im sonnigen und warmen Berlin zu seinem dritten Gesamtprojekttreffen eingefunden, das vom Projektpartner Ferdinand Braun Institut ausgerichtet wurde. 21 Teilnehmer waren beim Treffen anwesend.

Während des Treffens, genau ein Jahr nach Beginn des Projekts, hat jeder Projektpartner seine Tätigkeiten innerhalb der Arbeitspakete der letzten Monate präsentiert. Die meisten Partner haben mittlerweile die Design- und Konzeptphasen abgeschlossen, Komponenten und Material beschafft und mit dem Aufbau der jeweiligen opticlock Submodulen angefangen. Erste Ergebnisse aus der Charakterisierung und Evaluation der Submodule wurden vorgestellt und unter den Teilnehmern diskutiert. Die sehr wichtigen mechanischen, elektrischen und Software Schnittstellen wurden nochmals sorgfältig aufeinander abgestimmt, als Reaktion auf kleinere Änderungen, die aus dieser Charakterisierungphase hervorgegangen sind. Während manche Arbeitspakete nahe am erfolgreichen Abschluss sind, nehmen andere insofern Fahrt auf, als dass Submodule miteinander verbunden werden und auf die nächst höhere Ebene an Integrationskomplexität gehoben werden. Hier werden eine robuste Kommunikation und ein fehlerloses Zusammenspiel zentrale Aspekte sein.

Weiterhin hat das Team den Gesamtprojekt-Zeitplan betrachtet und sich die kommenden Meilensteine und Übergabezeitpunkte erneut in Erinnerung gerufen, um sicherzustellen, dass sich alle Entwicklungspfade an den verschiedenen Standorten reibungslos ineinanderfügen. In diesem Zusammenhang hatte jeder Partner die Möglichkeit, die Zeitscheine seines Arbeitspakets detailliert vorzustellen, um von den anderen hinterfragt zu werden.

Insgesamt schreitet das Projekt sehr gut fort und wir sind überzeugt, dass der wichtige Meilenstein "Yb+ Ion in Ionenfalle gefangen" im Mai 2019 erfolgreich erreicht werden wird, was schließlich zu einem erfolgreichen opticlock Demonstrator im Mai 2020 führen wird.

Das opticlock Projektteam traf sich am 27. und 28. November 2017 bei Vacom GmbH in der Nähe von Jena für das 2. Gesamtprojekttreffen nach dem Kick-Off im Juni. Das Ziel des opticlock Projekts, das eines von nur drei QUTEGA Pilotprojekten ist, welche durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Programms Photonikforschung unterstützt werden (FKZ 13N14380), ist die hochkomplexe, durch Spezialisten betreute optische Uhren Technologie aus dem Labor heraus in einen robusten, kompakten Demonstrator im 19" Schrankformat zu überführen, der von Nichtfachleuten betrieben werden kann.

Vertreter aller Projektpartner präsentierten ihren Fortschritt der vergangenen sechs Monate, der teilweise konzeptionelle Ergebnisse, bspw. zum Gesamtsystemdesign und der Software-Kommunikation der zwei 19" Schränke, aber auch erste experimentelle Resultate von optischen und elektronischen Subgeräten umfasste. Eine Diskussion zum Gesamtdesign führte zu einem einheitlichen, gemeinsam beschlossenen Fundament an Spezifikationen und Anforderungen, so dass der erste große Meilenstein abgeschlossen werden konnte (Critical Design Review).

Die Teilnehmer des Projektkonsortiums bestehend aus dem Ferdinand Braun Institut, HighFinesse GmbH, Menlo Systems GmbH, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, QUARTIQ GmbH, Qubig GmbH, TOPTICA Photonics GmbH, der Universität Bonn, der Universität Siegen und Vacom GmbH nutzten die Gelegenheit für ausgiebige Gespräche über interessante Ideen und Technologien als auch kommende Experimente und Entwicklungstätigkeiten in den jeweiligen Arbeitspaketen.

Die Entwicklung der optischen Yb+ Einzelionenuhr, mit dem Namen "opticlock" bezeichnet, schreitet sehr gut voran. Wir sind überzeugt, dass die Uhr im Sommer 2020 zu ticken beginnt, um als praktisches Werkzeug in Anwendungen wie der Messung von Höhenunterschieden in der Geodäsie oder der Synchronisation von Netzwerken (Satellitennavigation, Computersysteme, Radioteleskope), eingesetzt zu werden, die alle hochgenaue Frequenzstandards benötigen.

Das opticlock Team hat sich bei der Firma TOPTICA in München zum Kick-off getroffen.