Warum Quantensensoren immer wichtiger werden

Quantensensoren beantworten Fragen, noch bevor wir sie gestellt haben. In autonomen Fahrzeugen erkennen sie, ob sich hinter der nächsten Hausecke ein Fahrzeug außerhalb unseres Sichtfeldes auf Kollisionskurs mit uns befindet. Bei Vorsorgeuntersuchungen gegen Krebs und Alzheimer diagnostizieren sie die Erkrankungen, noch bevor sich die ersten Symptome zeigen.

Um zu diesen Erkenntnissen zu gelangen, analysieren die Sensoren die Wechselwirkung zwischen den Atomen der Messobjekte und Quantenelementen wie Elektronen. „Da diese superempfindlich sind, kommen die Sensoren zu extrem genauen Messergebnissen“, erklärt Professor Tommaso Calarco, Direktor des Instituts für Quantenkontrolle am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums (FZ) Jülich.

Messen lassen sich sowohl energetische Zustände wie Temperaturen oder Geschwindigkeiten als auch der Ort und die Beschaffenheit eines Gegenstandes. Quantensensoren können auch Moleküle und ihre chemische Zusammensetzung sichtbar machen. Dabei erreichen sie eine Auflösung von bis zu 20 Nanometern. Ein menschliches Haar ist mit einem Durchmesser von 10.000 Nanometern 500 Mal dicker. Selbst die kleinsten Viren sind rund 100 Nanometer groß.

„Würden wir in einem Quantensensor zwei Quantenobjekte verschränken und für die Messung nutzen, wäre der Sensor sogar noch empfindlicher“, ergänzt Tommaso Calarco. Allerdings arbeiten Quantensensoren anders als Quantencomputer in der Regel nicht mit der Verschränkung und Überlagerung von Quantenelementen. Dadurch sind sie weniger störanfällig als die Superrechner und müssen nicht in cryostatischen Umgebungen betrieben werden, um fehlerfrei zu funktionieren. Da sie die gemessenen physikalischen Eigenschaften mit Größen vergleichen, die die Natur auf der Ebene der Atome vorgibt, müssen sie auch nicht kalibriert werden.

„Der derzeit am weitesten entwickelte Ansatz in der Quantensensorik ist die Stickstoff-Fehlstellen-Technologie“, erklärt Dr. Christoph Nebel, Geschäftsfeldleiter Diamantbaulemente am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF). Dabei züchten Wissenschaftler wie er und seine Kollegen feinste Nadeln aus künstlichem Diamant. In ihrer Spitze entfernen sie zwei Kohlenstoffatome aus der Gitterstruktur des Edelsteins.

Eines davon ersetzen sie durch ein Stickstoffatom. Dieses hat ein Elektron mehr als der umgebende Kohlenstoff binden kann. Daher fällt es in die neben dem Stickstoffmolekül freigehaltene Leerstelle. Dort wird es zum kleinsten Magnetometer der Welt und macht das sogenannte Stickstoff-Fehlstellenzentrum so zum Quantensensor.

Eine Frage der Umdrehungen

Wie jedes Elektron befindet es sich in einer natürlichen Kreiselbewegung. „Durch diesen Spin entsteht ein Magnetfeld“, erklärt Nebel. „Dieses verändert sich, wenn andere Magnetfelder darauf einwirken.“  In einem Stickstoff-Fehlstellen-Sensor sind das die Magnetfelder der Elektronen in den Atomen der Messobjekte. Diese tastet die Diamantnadel wie ein Rasterkraftmikroskop ab.

„Das Elektron im Stickstoff-Fehlstellenzentrum hat zudem ein energetisches Grundniveau und ein angeregtes Niveau, das nur geringstfügig darüber liegt. Dieses Niveau spaltet sich auf, wenn ein externes Magnetfeld auf das Elektron einwirkt. Die Aufspaltung ist umso größer, je stärker das einwirkende Feld ist“, führt Nebel weiter aus.

Letztlich verändern sich dadurch die Farbe und Helligkeit des Lichts, das durch die Diamantnadel fällt. Durch dessen Analyse lassen sich die Stärke sowie Veränderungen des externen Magnetfelds und im Rückschluss die Beschaffenheit, Energie, Bewegung oder der Ort der gemessenen Substanzen oder Gegenstände erkennen. Da sich Magnetfelder kaum blockieren oder abschirmen lassen, reagieren Elektronen in Quantensensoren auch auf Einwirkungen von Objekten, die sich außerhalb des menschlichen Sichtfeldes befinden – etwa unter der Erde oder hinter einer Hausecke.

Neue Wege der Qualitätssicherung von Halbleitern

Halbleiterhersteller werden die Stickstoff-Fehlstellen-Sensorik künftig nutzen, um die Qualität ihrer Produkte zu kontrollieren. Da Chips und Speicher immer mehr Daten verarbeiten müssen, aber nicht größer werden dürfen, enthält ein Pentiumprozessor inzwischen über 30 Millionen Transistoren. Die magnetischen Strukturen auf einer Festplatte sind heute nur noch zehn bis 20 Nanometer groß. Ob sie Fehler aufweisen, lässt sich in diesem Maßstab nur noch mit Hilfe von Quantensensoren entdecken.

Neben Stickstoff-Fehlstellen-Sensoren gibt es zahlreiche weitere Ansätze, um mit Hilfe der Quantenphysik zu hochpräzisen Messergebnissen zu gelangen – etwa Quantengravimeter, Gravitationswelleninterferometer oder Quanten-Gyroskope und –Beschleunigungsmesser. Sie erfassen Bewegungen, Richtungen und Geschwindigkeiten so fein, dass sie durch den Abgleich ihrer Messergebnisse mit einer digitalen Karte auch ohne Unterstützung durch Satelliten präzise navigieren können.

Dadurch wird Quantensensorik zu einer Schlüsseltechnologie für das autonome Fahren. „Denn da es vor allem in Städten immer GPS-Schatten gibt, müssen für einen zuverlässigen Betrieb autonomer Fahrzeuge mehrere Sensorprinzipien gleichzeitig eingesetzt werden. Quantensensoren wären hier eine große Hilfe“, erklärt Christoph Nebel vom Fraunhofer IAF.

Zeitmessung im Gleichklang der Atome

„Quantensensoren können zudem bis in großer Tiefe Rohstofflagerstätten, Erdölfelder oder unterirdische Wasserreserven anhand ihrer Gravitationseigenschaften erkennen“, veranschaulicht Tommaso Calarco einen weiteren Anwendungsbereich für die Technologie.

Auch Quantenuhren zählen zu den Quantensensoren. Sie messen Zeit anhand der Schwingung von Atomen und liefern in der Luft- und Raumfahrt ultrapräzise Zeitreferenzen und geographische Längenstandards. Außerdem lassen sich mit ihnen über große Distanzen kritische Infrastrukturen wie Leitungs- und Kommunikationsnetze oder Finanztransaktionen synchronisieren.

In der Medizin nutzen Radiologen die Quantensensorik schon heute in speziellen Magnetresonanztomographen. Allerdings müssen entsprechende Geräte nach jeder Anwendung zwei Stunden lang abkühlen und kosten bis zu 1,6 Millionen Euro.

Wie viel Hersteller mit Quantensensorik verdienen könnten, hat bislang noch niemand ausgerechnet. Auf dem Markt für alle Quantentechnologien – also neben Sensoren auch Quantenrechner, -kryptografie und –kommunikation – werden es 2023 gut 13 Milliarden US-Dollar sein, schätzt das Technologie- und Marktforschungsunternehmen Intrado.

Deutsche Unternehmen in der Pole Position

Einen Großteil dieses Umsatzes werden deutsche und europäische Unternehmen verbuchen. So erwartete 2018 jeder zweite Teilnehmer des „Zeiss Symposiums - Optics in the Quantum World“, dass Europa 2030 führend bei der Umsetzung und Nutzung von Quantentechnologien sein wird. Vier von zehn Befragten sehen Asien vorn, nur 14 Prozent die USA. Das ergab eine Umfrage während des Kongresses.

Die Zuversicht kommt nicht von ungefähr. So entwickelt Bosch derzeit gemeinsam mit der Universität Mainz Gyroskope für das autonome Fahren, die Quantengesetze nutzen. Auch bei Siemens, Airbus, dem Lasertechnikspezialisten Trumpf und dem Zulieferer für die Halbleiterindustrie Zeiss stehen Quantentechnologien ganz oben auf der Forschungsagenda.

EU-Kommission will Europa in der Quantentechnologie an die Spitze führen

Welche Chancen die Technologien bieten, betonte zuletzt auch die Europäische Kommission in einem Communiqué an den Rat und das Parlament der Gemeinschaft. Im Rahmen des European-Quantum-Technologies-Flagship-Projekts fördert die EU schon seit 2018 mehr als 5.000 Wissenschaftler und 140 Forschungsprojekte. Insgesamt eine Milliarde Euro gibt sie dafür über zehn Jahre hinweg aus.

In der Quantensensorik wird dieses Geld früher Früchte tragen als im Quantencomputing. Die Superrechner werden die Welt wohl erst in zehn bis fünfzehn Jahren verändern. Quantenrechner werden die Welt wohl erst in zehn bis fünfzehn Jahren verändern. „In der Quantensensorik werden wir schon innerhalb des nächsten Förderzeitraums der EU bis 2027 substanzielle Fortschritte sehen“, ist Tommaso Calarco vom FZ Jülich überzeugt. „Auch erste Prototypen von Quantensensoren für das autonome Fahren könnte es am Ende dieses Zeitraums bereits geben“, erwartet der Physiker.

Das Anwendungsspektrum der Technologie könnte sich bis dahin zudem noch erheblich erweitern. „Da wir mit Quantensensoren präziser messen können als jemals zuvor, schließe ich nicht aus, dass wir viele Dinge noch gar nicht kennen, die wir mit der Technologie untersuchen könnten“, ergänzt Tommaso.  Wäre dem so, würden Quantensensoren in der Tat Fragen beantworten, noch bevor wir sie gestellt haben.