Quantensensorik und -messtechnik: Präzision neu definiert
Quantensensorik und Quantenmesstechnik zeichnen sich durch Präzision und Empfindlichkeit aus. Schon ein einzelnes Qubit kann genügen, um präzisere Daten zu liefern als herkömmliche Sensoren. Dadurch werden Informationen zugänglich, die bisher nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu gewinnen waren. Entdecken Sie auf der World of Quantum die neusten Quantensensoren!
Wie funktionieren Quantensensoren?
Die Funktionsweise von Quantensensoren beruht auf quantenmechanischen Phänomenen wie der Verschränkung einzelner Atome und Photone. Damit lassen sich kleinste Veränderungen der Umgebung registrieren.
Die wichtigsten Prinzipien der Quantensensorik
Bisher sind vor allem zwei Arten von Quantensensoren im Einsatz:
- Festkörper-Quantensensoren erfassen Magnetfelder, Temperaturen, Drücke, Beschleunigungen oder die Lage und Position von Objekten. Ihre eigentlichen Sensorelemente sind robust und oft nur nanometergroß.
- Atomare Beschleunigungssensoren nutzen lasergekühlte Materiewellen – bzw. deren laserinduzierte Interferenzsignale zur Messung von Beschleunigungen, Rotationen oder Gravitationskräften.
Quantum Sensor Anwendungsfelder
Quantensensoren bieten Lösungen und feinere Messtechniken für zahlreiche Branchen und Industrien. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind:
- medizinische Diagnostik und Bildgebung
- Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) unter anderem für Prothesen
- ultrapräzise Zeitmessung für die Synchronisierung zeitkritischer Prozesse
- nicht-satellitengestützte Navigation
- Qualitätskontrollen in Mikro-/Nanosystemtechnik und Halbleiterindustrie
- Erkundung von Rohstofflagerstätten
- Vulkanausbruch- und Erdbeben-Frühwarnsysteme
- Luft- und Raumfahrt
- Elektromobilität, autonomes Fahren
Quantenmesstechnik als Kalibriernorm der Zukunft
Neben ihrer Sensitivität und Präzision haben Quantensensoren und -messverfahren einen systemischen Vorteil: Da sie den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, müssen sie nur initial kalibriert werden und sind einsetzbar, um herkömmliche Mess- und Sensortechnik zu justieren und kalibrieren. Bei ultrapräzisen Zeitmessungen und der Messung elektrischer und magnetischer Feldstärken oder von Gravitationskräften liefert die junge Branche bereits marktreife Lösungen.
Zukunft erleben: Die internationale Messe für Quantensensorik und -messtechnik
Bereits zum dritten Mal bietet die World of Quantum führenden Lösungsanbietern und Forschungseinrichtungen aus den Bereichen Quantensensorik, Quantenmesstechnik und Quantenbildgebung eine internationale Plattform. Auch dank der beiden parallel stattfindenden Leitmessen Laser World of Photonics und automatica versammelt sich auf dem Messegelände eine branchenübergreifende Fach-Community mit breitem Anwendungs-Know-how, photonischer Enabling-Kompetenz und wissenschaftlicher Exzellenz.
Tauchen Sie ein in die Zukunft der quantentechnologischen Mess- und Sensortechnik und entdecken Sie aktuelle Entwicklungen und Anwendungsfelder:
- quantenoptische Spektroskopie und Bildgebung
- Quantenmagnetometrie
- Quantengeodäsie und Quantengravimetrie
- quantensensorisch unterstützte Material- und Qualitätsprüfung
- ultrapräzise Zeitmessung
- quantenoptische chemische und biomedizinische Analytik
- quantensensorisch unterstützte Navigation
Quantensensorik im Einsatz
„Native Sensing“ für Mensch-Maschine-Schnittstellen
Quantenmagnetometer können Magnetfelder in Picotesla Auflösungen detektieren. So lassen sich Biosignale des menschlichen Körpers kontaktlos erfassen, um damit Prothesen, Exoskelette, Cobots oder perspektivisch digitale Endgeräte zu steuern. Dieses quantensensorische „Native Sensing“ hat das Zeug zum Game-Changer im Design jeglicher Mensch-Maschine-Schnittstellen. Großes Potenzial bergen auch miniaturisierte Chip-basierte Quantengyroskope für die hochpräzisen und driftfreie Rotationsmessung anhand des der Frequenz Kernspins einzelner Atome. Über den Einsatz in der Positionsbestimmung von Satelliten könnte diese Technologie künftig den Weg in Flugzeuge, Fahrzeuge sowie Schiffe und U-Boote finden.
Polarisatoren für die Magnetresonanztomographie
Auch in der Medizin, Biotechnologie und Chemie sowie der Materialanalytik und Qualitätskontrolle sind quantensensorische Ansätze vielversprechend: So sollen Polarisatoren auf Nanodiamantbasis Verfahren wie die Magnetresonanztomographie um Größenordnungen empfindlicher machen; unter anderem im Sinne einer früheren Erkennung von Herz-Kreislauf- oder Krebserkrankungen anhand minimal veränderter Magnetfelder. Der Ansatz ist auch industriell nutzbar, um über Magnetfeldsignaturen winzige Risse und Formabweichungen aufzuspüren. Interessant ist das überall, wo im Mikro-, Nano- oder sogar Subnanometerbereich gearbeitet wird.
Verschränkte Photonen für neue bildgebende Verfahren
Neue Ansätze der Quantensensorik könnten auch ein Dilemma bei Gewebeuntersuchungen lösen: Die Nutzung verschränkter Photonen verschiedener Wellenlängen erlaubt es, im Gewebe weiches, optimal absorbiertes Licht zu nutzen, für das bisher Detektoren fehlen. Durch die Fernwirkung der Verschränkung wird die Lücke virtuell geschlossen: Denn der Zustand der Photonen im Gewebe kann außerhalb an den verschränkten Photonen der anderen, gut detektierbaren Wellenlänge abgelesen werden.
Quantenimaging mit schonender Wirkung
Die Nutzung der Verschränkung ist auch im Quantenimaging vielversprechend, um stundenlange Prozesse in lebenden Zellen hochaufgelöst zu beobachten, ohne diese durch hohe Dosen kurzwelliger Strahlung zu schädigen. Denn das Licht im Gewebe ist ein anderes als das für Bildgebung. Mit ähnlichen Methoden erschließt auch die Quantenspektroskopie den Weg zu höheren Auflösungen und präziseren Analysen.
Mit einem Klick zur World of Quantum 2025
Sichern Sie sich jetzt Ihr Ticket und seien Sie Teil dieses einzigartigen Branchenevents!
FAQ – Das Wichtigste zu Quantensensorik und -messtechnik in Kürze
Quantensensoren nutzen quantenphysikalische Effekte wie Superposition oder Verschränkung, um deutlich präzisere und empfindlichere Messungen zu ermöglichen als klassische Sensoren.
In kontrollierten Umgebungen sind sie äußerst präzise und stabil. Für den breiten Einsatz müssen jedoch noch Störeinflüsse wie Temperatur oder Vibration besser beherrscht werden.
Zu den wichtigsten Quantensensoren zählen:
- SQUIDs (für Magnetfelder),
- NV-Zentren in Diamanten (für Magnetfeld- und Temperaturmessung),
- Atomuhren (für ultrapräzise Zeitmessung),
- Atominterferometer (für Gravitation und Beschleunigung),
- Quantenoptische Sensoren (für Licht- und Bildgebung).
Viele Quantensensoren sind noch empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Fortschritte bei Miniaturisierung und Stabilisierung verbessern aber kontinuierlich ihre Alltagstauglichkeit.
Die größten Herausforderungen in der Quantensensorik bestehen vor allem in der Aufrechterhaltung quantenmechanischer Zustände, die äußerst empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen sind. Zudem erfordern viele Systeme eine Kühlung auf nahezu den absoluten Nullpunkt, um die gewünschten Quanteneffekte stabil erzeugen zu können. Hinzu kommt die Notwendigkeit einer effektiven Abschirmung gegenüber Störungen wie elektromagnetischen Feldern oder Vibrationen. Nicht zuletzt stellt auch die präzise Kalibrierung der oft sehr komplexen Sensorarchitekturen eine zentrale technische Hürde dar.