Quantentechnologie Quantenphotonik ermöglicht hochgenaue Sensoren

Redakteur: Julia Bender

Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) entwickeln Forschende durch die Kombination aus Photonik und Quanten eine universelle Plattform, mit der Lösungen für hochgenaue Quantensensoren schnell aufgebaut werden können.

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Forschende des Fraunhofer IZM kombinieren Quanten mit Photonik, um die Entwicklung überaus genauer Quantensensoren voranzutreiben. Welche Zukunftsbereiche eröffnen sich dadurch?
Forschende des Fraunhofer IZM kombinieren Quanten mit Photonik, um die Entwicklung überaus genauer Quantensensoren voranzutreiben. Welche Zukunftsbereiche eröffnen sich dadurch?
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Nachdem quantentechnologische Geräte wie beispielsweise klassische Laser oder die Atomuhr bereits seit einigen Jahrzehnten existieren, zeichnet sich nun eine zweite Quantenrevolution ab, durch die sich völlig neue Anwendungen in der Kommunikation, der Simulation und der Sensorik ergeben. In der neuen Ära können Forscherinnen und Forscher die Zustände einzelner Quanten nicht nur auslesen, sondern auch aktiv anregen und manipulieren. Damit man mit den sogenannten Q-bits messen oder rechnen kann, braucht es momentan aber noch komplizierte und wenig energieeffiziente Laboraufbauten.

Aus diesem Grund beschäftigen sich Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) mit den Möglichkeiten einer industriellen und kommerzialisierbaren Anwendung von Quantentechnologien. Dabei legen sie ihren Fokus auf technische Lösungen aus der Telekommunikation, bei denen Lichtteilchen - auch Photonen genannt - die quantenmechanische Information in sich tragen. Der Vorteil: Für die Übertragung und Manipulation dieser Photonen existieren bereits Protokolle und Infrastrukturen in Form von speziellen Leiterplatten.

Das Forschungsteam sieht vor allem in der Nutzung von optischen Wellenleitern, die in Glas integriert werden, ein enormes Potenzial für verschiedene Lösungen in der Quantenkommunikation, da Glasfasern - im Gegensatz zu Halbleitern - transparent für Nahinfrarot-Wellen sind, die für Quantentechnologien genutzt werden. Zusätzlich hat Glas als optischer Wellenleiter weniger Verluste, ist in der Produktion kostengünstiger und stellt eine geringere Reststreuung des Lichts sicher.

Bisher unerreichte Messgenauigkeit dank Quantensensoren

Im Bereich der Quantensensorik machen es sich die Forscherinnen und Forscher zunutze, dass sich Q-bits wie Wellen überlagern können. Dadurch ergibt sich eine überaus empfindliche quantenmechanische Phase, durch die einzelne Atome ausgemessen werden können. Auf diese Weise entstehen Sensoren für Gravitations- und Magnetfelder, die im Vergleich zu klassischen Sensoren eine bislang undenkbare Genauigkeit erreichen. Ein weiterer Pluspunkt dieser Lösung ist die Möglichkeit, Messungen auf absolutem Niveau anzustellen, weshalb Sensoren nicht mehr kalibriert werden müssen.

Um die hochgenauen Quantensensoren vor unerwünschten Umwelteinflüssen zu schützen und auch außerhalb von Laboren einsetzen zu können, entwickeln die Forschenden zurzeit isolierende Vakuumkammern auf Glas. „Durch die Vakuumkammern auf Glas ist der Einsatz quantenmechanischer Sensoren auch an Orten möglich, an denen bislang nicht daran zu denken war, etwa als Biosensoren. Durch Messungen einzelner Atome, deren Spektren auf Magnetfelder reagieren, werden mit Hilfe von Licht Einblicke in die Magnetfelder von Herz oder Gehirn möglich, die medizintechnische Aufnahmen mit CT oder MRT ergänzen“, erklären die beiden wissenschaftlichen Mitarbeiter des Fraunhofer IZM Dr. Wojciech Lewoczko-Adamczyk und Oliver Kirsch.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nehmen sich dabei der Aufgabe an, die Sensorsysteme so weit zu miniaturisieren, dass sich Patientinnen und Patienten während der Untersuchung sogar frei bewegen können. „Auch in der Lebensmittelforschung und Medizintechnik können Quantensensoren einen Beitrag leisten, da auch bei extrem geringer Konzentration von Viren oder Bakterien in einer Lösung weit über die herkömmlichen Standards hinaus gemessen werden kann“, so Kirsch weiter.

Es soll jedoch nicht nur bei der Entwicklung einzelner Produkte bleiben, sondern vielmehr eine universelle Plattform entstehen, die es ermöglicht, quantenphotonische Geräte schnell und dem Kundenwunsch entsprechend aufzubauen. Dafür werden überaus schmale Wellenleiter, die das Licht dorthin führen, wo die Quanten angeregt und ausgelesen werden können, in ein Glassubstrat integriert, das wiederum mit Strukturen metallisiert wird, um elektrische Signale weiterzuleiten. Dadurch ergibt sich eine Plattform, die optische und elektrische Informationen auf Quantenebene vereint.

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