Die Forschung und Technologie befinden sich auf der Weltspitze, doch 80 % werden importiert. Ein Professor der chinesischen Akademie der Wissenschaften bricht endlich das ausländische Monopol auf hochwertigen Zeit- und Frequenzmessgeräten | Exklusives Interview von Yingke

Autor  | Zhao Siqi

Redakteur  | Peng Xiaoqiu

Es gibt eine hochwertige Forschungstechnologie, bei der China zwar in die Spitzenwelt eingestiegen ist, aber der kommerzielle Markt von anderen Ländern abhängig ist. 80% werden importiert, und im Kontext von Embargos können einige Bauteile "nicht einmal gegen Geld" gekauft werden.

Dies ist die hochwertige Zeit- und Frequenzmesstechnik. Tatsächlich entwickelte China bereits in den 1970er Jahren die erste Rubidium-Atomuhr. Später wurde an Bord des Tiangong-2-Raumlabors die weltweit erste kalte Atomuhr installiert, die drei Jahre lang ununterbrochen lief und eine Genauigkeit von einem Sekundenfehler alle 42 Millionen Jahre erreichte.

Die Atomuhr ist derzeit das am genauesten messende Kernzeit- und Frequenzgerät der Welt und das "Raum-Zeit-Herz" der modernen Gesellschaft. Sie bildet die Grundlage für die Funktionsweise diverser Branchen, von der Informationsübertragung im Nanosekundenbereich in 6G-Kommunikationssystemen, der Zentimetergenauen Ortung in GNSS-Weltnavigationssystemen und der Mikrosekunden-Synchronisation in Stromnetzen bis hin zur koordinierten Steuerung der KI-Rechenleistung in Supercomputerzentren.

Um diese schwierige Situation zu ändern, gründete Qu Qiuzhi 2020 das Unternehmen Kaisers Technology (Hangzhou) Co., Ltd. (im Folgenden "Kaisers"). Vor seiner Gründung war er an der Entwicklung der kalten Atomuhren für das Tiangong-2-Raumlabor, die chinesische Raumstation und die Beidou-Satelliten beteiligt und war auch ein Forscher am Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics der chinesischen Akademie der Wissenschaften.

(Quelle: CCTV13 Nachrichtensender)

Nach fünf Jahren Entwicklung hat Kaisers die erste Produktionslinie für kommerzielle kalte Atomuhren und Strahl-Chip-Atomuhren errichtet. Die Leistung der Produkte übertrifft die importierten Konkurrenzprodukte um zwei Größenordnungen. Damit ist Kaisers das erste chinesische Unternehmen, das kalte Atomuhren kommerziell produziert.

Unter diesen Umständen absolvierte Kaisers im vergangenen Jahr eine Pre-A-Serie Finanzierung, die von Zhongying Venture Capital geleitet wurde.

Hinter Qu Qiuzhis Entscheidung, ein Unternehmen zu gründen, verbirgt sich das größte Problem für Unternehmer im Bereich der Spitzentechnologie: wie man die Kommerzialisierung einer wenig bekannten, aber täglich benötigten Branche erreicht.

Genauer gesagt, wie kann man die Probleme bei der Industrialisierung der Atomuhren lösen? Was ist der kommerzielle Plan? Mit diesen Fragen führte Yingke kürzlich ein tiefgehendes Gespräch mit Qu Qiuzhi, um die "Rennerei gegen die Zeit" hinter der Kommerzialisierung der Atomuhren aufzudecken.

Im Folgenden finden Sie die Transkription des Gesprächs, das Inhalt wurde bearbeitet:

Die Umsetzung von Forschungsergebnissen ist der einzige Ausweg

Yingke: Als Experte für kalte Atomtechnologie im Weltraum und Beteiligter an nationalen Großprojekten wie dem Tiangong-2-Raumlabor hatten Sie ein helles Zukunftsprofil in der Forschung. Warum haben Sie sich dann entschieden, ein Unternehmen zu gründen?

Qu Qiuzhi: Die Entscheidung, ein Unternehmen zu gründen, basiert auf meinen Erfahrungen und Eindrücken über viele Jahre. Vor 20 Jahren studierte ich am Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics der chinesischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung des "Vaters der kalten Atome", des Akademikers Wang Yuzhu. Akademiker Wang entwickelte in den 1970er Jahren die erste chinesische Rubidium-Atomuhr und gründete später das erste chinesische Schwerpunktlabor für Quantenoptik.

Im Jahr 2010 bauten wir den ersten Prototyp einer kalten Raumatomuhr in China. In den folgenden zehn Jahren absolvierte ich die Entwicklung der kalten Atomuhren für das Tiangong-2-Raumlabor, die chinesische Raumstation und die Beidou-Satelliten.

Allerdings wurden mit dem zunehmenden Forschungsstand Chinas in diesem Bereich auch die Anwendungsfragen immer deutlicher. Wenn ich die Pakete der importierten Geräte vor dem Labor sah, dachte ich oft darüber nach, dass wir alle Grundfunktionen dieser Geräte entwickelt hatten, aber immer noch nicht in der Lage waren, sie unabhängig herzustellen und mussten stattdessen teure Importe tätigen.

Die kalte Atomuhr wurde 2016 in den Weltraum geschickt und ist seitdem fast zehn Jahre im Orbit. Aber die Technologie und der Prozess konnten nicht weiter festgelegt und in Serie produziert werden, und die Uhr konnte immer noch nicht auf den Markt kommen. Die Kluft zwischen der Atomuhren-Technologie und der Industrialisierung hat es unmöglich gemacht, das grundlegende Problem der kommerziellen Nutzung zu lösen.

Vor der Gründung meines Unternehmens habe ich versucht, mit anderen Unternehmen zusammenzuarbeiten, um die Technologie umzusetzen, aber alle Versuche scheiterten. Die Atomuhr ist ein Systemprojekt, das auf Spitzentechnologien aufbaut und komplexe Aspekte wie Atomphysik, Quantenlaser und präzise elektronische Steuerung umfasst. Kein Unternehmen, das nicht aus der Forschung stammt, kann die Serienproduktion einer kalten Atomuhr von Grund auf übernehmen.

Beispielsweise ist die Stabilität des optischen Systems und die Laser-Kühlung der Atome ein kritischer Schwierigkeitspunkt. Die Fähigkeit, die zahlreichen Störungen auf ein Minimum zu reduzieren, erfordert eine technologische und ingenieurtechnische Erfahrung von über zehn Jahren. Darüber hinaus kann man die Standardprodukte nur dann effektiv an komplexe Anwendungsfälle anpassen, wenn man die Quanten-Eigenschaften und die Anwendungsgrundlagen sehr gut versteht. Schließlich kam ich zu dem Schluss, dass Forscher selbst in das Geschäft einsteigen müssen und sich intensiv mit der Branche befassen müssen, um die Barrieren für die Industrialisierung zu überwinden. Andernfalls bleibt die kommerzielle Nutzung der kalten Atomuhr auch in den nächsten zehn Jahren ein Traum.

Dies war der Grund, warum ich 2020 Kaisers gründete: um die kalte Atomuhr aus dem Labor zu befreien und in ein marktfähiges Produkt zu verwandeln, damit die Spitzen-Quanten-Technologie der Gesellschaft wirklich dienen kann.

Yingke: Welche Vor- und Nachteile sehen Sie bei Wissenschaftlern, die sich in Unternehmer umwandeln, im Vergleich zu normalen Unternehmern?

Qu Qiuzhi: Ein reales Problem ist, dass Wissenschaftler leicht in die Falle der "perfekten Technologie" geraten und keine Erfahrung in Markt und Produktion haben.

Das Schwierigste ist, dass der Markt nach Atomuhren zwar immer größer wird, aber die Atomuhren noch wenig bekannt sind. Deshalb habe ich in den ersten fünf Jahren meines Unternehmensgründens die Weltmärkte untersucht, um die Marktbedürfnisse zu identifizieren. Insgesamt ist der kommerzielle Wert der Atomuhren in über 160 Branchen verankert, wobei der Kernpunkt in der hochpräzisen Synchronisation liegt.

Beispielsweise benötigen 5G/6G-Kommunikationssysteme eine Nanosekunden-Zeitquelle und ein Pikosekunden-Zeitübertragungssystem. Im Bereich der KI-Rechenleistung müssen Supercomputerzentren auf Atomuhren zurückgreifen, um eine Nanosekunden-Synchronisation zwischen verschiedenen Standorten zu erreichen. Bei der Tiefseerkundung benötigen autonome unbemannten Taucherfahrzeuge (AUVs) Atomuhren, um in GPS-freien Umgebungen die Zeit autonom zu halten und die Genauigkeit bei langfristigen Missionen zu gewährleisten. Mit der zunehmenden Anforderung an die Synchronisationsgenauigkeit in verschiedenen Branchen werden Atomuhren als Infrastruktur für Zeitgabe-Systeme enorme Chancen haben.

Was die Vorteile betrifft, erfordert das Unternehmertum im Bereich der Spitzentechnologie oft eine tiefe technologische Expertise. Unser Team kann dank seiner 20-jährigen Forschungsgeschichte den besten Technologieweg für die Industrialisierung auswählen und umsetzen. Beispielsweise hat die Methode der Laser-Kühlung der Atome durch diffuse Reflexion die Anwendungsbeschränkungen und die Kosten der Atomuhren kreativ gelöst.

Wichtiger noch ist, dass Wissenschaftler in der Lage sind, die Essenz der Branche vor den kommerziellen Logiken zu verstehen - Zeitgenauigkeit ist die neue Infrastruktur der digitalen Ära. Wir verkaufen keine Geräte, sondern entwickeln Produkte und Dienstleistungen rückwärts aus den zukünftigen Anwendungsfällen der Branche. Dies bestimmt die strategische Voraussicht und die subversive Kraft.

Den "Todesbruch" der Industrialisierung überwinden

Yingke: Warum ist die Industrialisierung das größte "harte Nussknacken" bei der Umsetzung der Atomuhren-Forschung?

Qu Qiuzhi: Die Industrialisierung der Atomuhren ist mit drei großen Herausforderungen verbunden: der technischen Umsetzung, der Serienproduktion und den Kosten.

Erstens ist die technische Umsetzung schwierig. Das optische System einer kalten Atomuhr ist äußerst empfindlich. Im Labor wird es manuell justiert, aber für die Serienproduktion sind Modularität und hohe Stabilität erforderlich. Beispielsweise müssen die Laser-Kühlkomponenten gegen Vibrationen und Temperaturschwankungen resistent sein, sonst funktionieren sie in Fahrzeugen oder unter Wasser leicht nicht mehr.

Zweitens ist die standardisierte Serienproduktion schwierig. Einerseits fehlt die Lieferkette, und die benötigten Bauteile müssen importiert werden. Andererseits hängt die Produktion herkömmlicher Atomuhren von der Handwerkskunst ab, und die Ausbeute ist niedrig. Selbst wenn man in der Lage ist, in Serie zu liefern, sind die Leistungsindikatoren relativ hinterher.

Drittens sind die Kosten hoch, und die Anwendungsfälle sind begrenzt. Beispielsweise hat die herkömmliche Wasserstoff-Atomuhr eine gute Kurzzeitstabilität, aber sie ist sehr empfindlich gegenüber der Umgebung. Deshalb muss man eine Millionenschlosskammer bauen, um die normale Funktion der Wasserstoff-Atomuhr zu gewährleisten. Dies ist der "Todesbruch" der Industrialisierung - egal wie gut die Technologie ist, wenn man die Schwelle der Serienproduktion nicht überschreiten kann, ist alles nur Luftgebäude.

Yingke: Welche Schlüsselfaktoren sind für die Industrialisierung erforderlich? Wie hat Kaisers das Problem gelöst?

Qu Qiuzhi: Die Lösung basiert auf drei Schlüsselfaktoren: der Wahl des Technologieweges, der Prozessfestlegung und der Zusammenarbeit in der Lieferkette.

Zunächst hat unsere Technologie zur Laser-Kühlung der Atome die Umweltanpassungsfähigkeit der Atomuhren revolutioniert. Das größte Problem herkömmlicher heißer Atomuhren ist, dass sie von der Umgebungstemperatur abhängen, und die thermische Bewegung der Atome führt zu Frequenzverschiebungen. Die Laser-Kühlung der Atome trennt die Atome von der Umgebung und eliminiert somit die thermische Bewegung der Atome von Grund auf, wodurch die Umgebungsbeschränkungen überwunden werden. Noch wichtiger ist, dass die Technologie der Laser-Kühlung der Atome durch diffuse Reflexion weniger Laserleistung benötigt als andere Arten von Atomuhren, was die Kosten reduziert und die Serienproduzierbarkeit erhöht.

Zweitens haben wir den Herstellungsprozess standardisiert und den Prozess festgelegt. Hohe technische Anforderungen bringen oft Schwierigkeiten bei der Herstellung mit sich. Der Schlüssel zur Lösung liegt in einem vollständigen, standardisierten und replizierbaren Herstellungsprozess. Gleichzeitig haben wir Experten und Fachkräfte eingestellt. Unsere Forscher und Produktionsteams haben lange Zeit zusammengearbeitet, um die erste Produktionslinie für 100 kalte Atomuhren pro Jahr und 10.000 Strahl-Chip-Atomuhren pro Jahr zu errichten.

Schließlich haben wir die Zusammenarbeit in der Lieferkette verbessert. In den letzten 20 Jahren haben wir über 5.000 Zulieferer ausgebildet und mit ihnen zusammengearbeitet. Einige Laserhersteller haben sogar in die Nähe unserer Fabrik gezogen, um die Lieferkette aufzubauen. Somit haben wir in der Ökosysteme eine eigenständige und kontrollierbare Position erreicht.

Yingke: Welche originellen Durchbrüche haben unsere kalten Atomuhren und Strahl-Chip-Atomuhren im Vergleich zu herkömmlichen Atomuhren?

Qu Qiuzhi: Das Herzstück der kalten Atomuhren basiert auf der Technologie der Laser-Kühlung der Atome durch diffuse Reflexion. Zusammen mit 20 Jahren an Ingenieurserfahrung haben wir das riesige Atomuhren-Gerät in ein einfach zu installierendes Gerät verkleinert. Am Beispiel der ersten Generation kommerzieller kalter Atomuhren haben wir 99,7% der thermischen Bewegung der Atome eliminiert, und die Genauigkeit erreicht 6E-15 (weniger als 0,2 Sekunden Fehler in 1 Million Jahren), was die importierten Caesium-Uhren um zwei Größenordnungen und die importierten Wasserstoff-Atomuhren um eine Größenordnung übertrifft. Gleichzeitig haben wir uns von der Abhängigkeit von festen Uhrkammern befreit und eine widerstandsfähige und temperaturbeständige Ausführung erreicht.

Noch subversiver ist die Strahl-Chip-Atomuhr, die erstmals eine "kalte-Atom-ähnliche" Struktur aufweist. Die erste Generation des Produkts hat bereits einen Kurzzeitstabilitätsindex von 6,02E-11, was besser als der Index des importierten US-Produkts von 7,2E-11 ist. Durch die Integration der CMOS/MEMS-Technologie haben wir das Volumen der Chip-Atomuhr von der Größe einer Streichholzschachtel auf annähernd 1 Kubikzentimeter reduziert, was die Anpassung an raumbeschränkte Mikrosensoren und Plattformen ermöglicht. Darüber hinaus erfüllen die Eigenschaften wie geringer Energiever