Quantum Galileo Interferometer
Ein Quantum Galileo Interferometer ist ein Messgerät, das einzelne Atome in freien Fall schickt und aus ihrem Wellenverhalten die Schwerkraft extrem genau bestimmt. Der Name verbindet Galileis Fallversuche mit der Quantenphysik, auf der die Messung beruht.
Vor über vierhundert Jahren ließ Galileo Galilei der Überlieferung nach Kugeln fallen, um die Schwerkraft zu untersuchen. Ein Quantum Galileo Interferometer macht im Grunde dasselbe, nur mit einzelnen Atomen statt mit Kugeln. Die Atome werden mit Laserlicht fast bis zum absoluten Stillstand abgekühlt und dann losgelassen. Während sie fallen, verhalten sie sich nicht wie kleine Kügelchen, sondern wie Wellen. Das Gerät lässt zwei solcher Wellen auf getrennten Wegen fallen und bringt sie danach wieder zusammen. Aus dem Muster, das dabei entsteht, liest man ab, wie stark die Schwerkraft an diesem Ort gewirkt hat. Der Begriff ist bislang kein fester Standardname, sondern taucht in Forschungsprojekten und Firmennamen für genau diese Bauart von Messgerät auf.
Warum Schwerkraft so genau gemessen wird
Die Erdanziehung ist nicht überall gleich stark. Über einem Hohlraum im Boden zieht sie ein winziges bisschen schwächer, über dichtem Gestein ein bisschen stärker. Diese Unterschiede liegen im Bereich von einem Milliardstel der normalen Schwerkraft. Ein gutes Atominterferometer kann sie trotzdem nachweisen. Damit lässt sich in den Boden schauen, ohne zu graben.
Der praktische Nutzen ist groß. Bauunternehmen suchen alte Bergwerksstollen unter Baugrundstücken. Wasserwerke beobachten, wie sich Grundwasser unter der Oberfläche verschiebt. Geologen überwachen Magma unter Vulkanen, weil aufsteigendes Magma die Schwerkraft messbar verändert. All das sind Messungen, für die man sonst Bohrungen bräuchte.
Ein zweiter Grund ist die Navigation. Flugzeuge und Schiffe bestimmen ihre Position meist über Satelliten. Fällt dieses Signal aus oder wird es gestört, hilft eine Karte der örtlichen Schwerkraft weiter. Das Fahrzeug misst die Schwerkraft und vergleicht sie mit der Karte. Militär und Raumfahrt interessieren sich stark für diese Technik, weil sie ohne Funkverbindung auskommt.
Atome als Wellen auf zwei Wegen
Der Kern der Sache ist eine Eigenart der Quantenphysik. Sehr kalte Atome haben keinen eindeutigen Ort mehr, sondern breiten sich aus wie eine Welle auf dem Wasser. Eine solche Welle kann sich aufteilen und gleichzeitig zwei Wege nehmen. Im Interferometer erledigen kurze Laserpulse diese Aufteilung. Ein Puls schickt einen Teil des Atoms nach oben, der andere Teil fällt einfach weiter.
Nach wenigen Hundertstelsekunden bringt ein weiterer Laserpuls beide Teile wieder zusammen. Jetzt kommt es darauf an, ob die beiden Wellen im Gleichtakt schwingen oder gegeneinander. Verstärken sie sich, misst der Detektor viele Atome. Löschen sie sich aus, misst er fast keine. Genau dieses Auslöschen und Verstärken nennt man Interferenz, daher der Name Interferometer.
Der Zusammenhang zur Schwerkraft ist direkt. Je stärker die Anziehung, desto weiter verschiebt sich der Takt zwischen den beiden Wegen. Das Ergebnis hängt nur von der Fallhöhe, der Zeit und der Wellenlänge des Lasers ab. Alle drei Größen kennt man sehr genau. Deshalb braucht das Gerät keine Eichung an einem Referenzgewicht, anders als eine klassische Federwaage, die mit der Zeit nachgibt.
Vom Laborkeller in den Messwagen
Die ersten Geräte dieser Art füllten ganze Räume und standen auf schweren Fundamenten gegen Erschütterungen. Inzwischen gibt es Ausführungen von der Größe eines Kühlschranks, die in einen Transporter passen. Firmen in Großbritannien, Frankreich und Deutschland verkaufen solche Systeme, unter anderem an Vermessungsämter. In den Nachrichten tauchen sie meist unter Stichworten wie Quantensensorik oder Quantentechnologie der zweiten Generation auf.
Ein häufiger Irrtum ist die Verwechslung mit Quantencomputern. Beide nutzen Quanteneffekte, verfolgen aber ganz verschiedene Ziele. Ein Quantencomputer rechnet, ein Interferometer misst nur. Messgeräte sind technisch deutlich weiter, weil sie mit wenigen Atomen auskommen und keine lange Rechenkette stabil halten müssen. Erste Anwendungen laufen daher schon im Feld, während Quantencomputer noch weitgehend im Labor stecken.
Auch der Bezug zum Satellitensystem Galileo ist naheliegend, aber falsch. Der Name im Begriff verweist auf den Physiker, nicht auf die europäischen Navigationssatelliten. Dass beide mit Navigation zu tun haben, ist Zufall. Wer den Begriff in Fachtexten liest, sollte prüfen, ob damit ein konkretes Produkt oder allgemein ein Atominterferometer gemeint ist.