Quantenbasierte Inertialsensoren

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Trägheitssensoren, INS, Beschleunigungsmesser, Quanten-Gyroskop

Quantenbasierte inertiale Sensoren stehen noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, aber ihre vielversprechenden Eigenschaften könnten zu bedeutenden Fortschritten in der Präzisionsmessung und -navigation führen. Sie nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, um hochpräzise Messungen von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Rotation entlang dreier zueinander senkrechter Achsen durchzuführen. Dabei werden quantenmechanische Phänomene wie die Atominterferometrie und die Quantenkohärenz genutzt, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.

In einem typischen quantenbasierten inertialen Sensor werden Teilchenstrahlen (Atome oder Moleküle) mithilfe von Laserstrahlen in sogenannte "Superpositionen" aus quantenmechanischen Zuständen gebracht. Diese Superpositionen machen es möglich, dass die Atome gleichzeitig in verschiedenen Zuständen existieren. Kommen die Atome wieder zusammen, werden charakteristische Interferenzmuster erzeugt.

Durch das Anwenden von Beschleunigung, Geschwindigkeitsänderungen oder Drehungen auf den Teilchenstrahl während seiner Bewegung kann das Interferenzmuster beeinflusst werden. Die Messung und Analyse dieser Interferenzmuster ermöglichen auf diese Weise die präzise Bestimmung der Änderungen in Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Drehung.

Vorteile:

außergewöhnliche Genauigkeit und Präzision in der Messung von Beschleunigung und Rotation für viele Anwendungen
geringere Neigung zur Drift im Vergleich zu klassischen inertialen Sensoren, was zu stabileren und zuverlässigeren Messungen führt

Nachteile:

Komplexität in der Herstellung
häufig niedrige Temperaturen, oft nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich um die quantenmechanischen Zustände aufrechtzuerhalten.
Nutzung ist meist mit hohen Kosten verbunden

Anwendungen:

Quantenbasierte inertiale Sensoren finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen - häufig dann, wenn höchste Genauigkeit und Stabilität erforderlich sind
Luftfahrt, Raumfahrt, Robotik, Geodäsie und Erdbebenüberwachung

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Konzept und Geometrie des hybriden Quanten-Trägheitssensors (Quantum Accelerometer Triad – QuAT): Die verschiedenen Komponenten der Beschleunigung werden senkrecht zur Oberfläche der jeweiligen Spiegel gemessen.