Quantenbasierte Messtechnik

Mit Quantensystemen lassen sich physikalische Größen in nie da gewesener Präzision messen. Dabei wird die Empfindlichkeit der quantenmechanischen Zustände gezielt ausgenutzt.

Die Empfindlichkeit von Quantenzuständen und -systemen erschwert die Entwicklung praxistauglicher Quantencomputer und Quantenkommunikationstechnik sehr. Für die Messtechnik aber eröffnet genau diese Sensibilität enorme Möglichkeiten. Denn Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen ist nichts anderes als hohe technische Mess-empfindlichkeit. Mit gezielt konstruierten Quantensystemen können daher physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder die Gravitation mit bislang unerreichter Genauigkeit gemessen werden.

Quantensensoren bieten völlig neue Möglichkeiten

Quantenmessungen werden insbesondere dann relevant, wenn man es mit besonders schwachen Signalen bzw. schwer nachweisbaren Naturphänomenen zu tun hat. Klassische Sensorprinzipien werden zwar verbessert und kombiniert, es ist jedoch absehbar, dass damit keine entscheidende Verbesserung der bisher erreichten Schlüsselparameter wie Empfindlichkeit und Spezifizität erreicht werden kann. Quantensensoren dagegen greifen auf Quantensysteme mit Eigenschaften wie Kohärenz, Superposition und Verschränkung zurück: Die spezifischen Stärken dieser Systeme werden genutzt, um äußerst präzise Messungen durchzuführen.

Quantenbasierte Präzisionsmessungen als Referenzgrößen

Extrem hohe Anforderungen an Messungen gibt es bei der Definition von Standards, die dann als Referenz für andere Geräte dienen. Atomuhren auf der Basis atomarer Quantenzustände etwa dienen bereits seit Jahrzehnten als Zeitreferenz für Präzisionsmessungen, wie beispielsweise im Rahmen des europäischen Galileo-Navigationssystems oder des Global Positioning Systems (GPS).
Mit Quanten-Gravimetern auf Basis der Interferometrie kalter Atome kann man selbst kleinste Variationen im Schwerefeld der Erde feststellen, wie sie durch unterschiedliche Materialzusammensetzungen der Erdkruste verursacht werden. Solche ultrapräzisen Gravimeter könnten u. a. zum Auffinden von Bodenschätzen eingesetzt werden.

Miniaturisierung wird wirtschaftliches Potenzial vergrößern

Das wirtschaftliche Potenzial der quantenbasierten Messtechnik liegt aktuell in der industriellen Präzisionsmesstechnik, der medizinischen Diagnostik, der Erdbeobachtung, der Geologie bzw. Lagerstättenerkundung, der Verteidigungstechnik und in der Navigation. Im Fall der Navigation handelt es sich insbesondere um die Satellitennavigation für Luft-, See-, Schienen- und Straßenverkehr im Zusammenhang mit z. B. dem automatisierten Fahren sowie mit GPS-/Galileo-basierten Apps.
Neue Quantensensoren, die ihren Quantenzustand auch bei Raumtemperatur einnehmen und erhalten, könnten den Weg frei machen für eine Miniaturisierung und eine deutliche Kostenreduzierung. Ein höheres Maß an Integration und Miniaturisierung kann auch eine große Zahl von anspruchsvollen Anwendungen für andere Wirtschaftsbereiche erschließen – und für Konsumenten. Wesentlicher ist deshalb die Umsetzung von Laboraufbauten in Demonstratoren und Lösungsansätze mit tatsächlichem Gebrauchswert in einer spezifischen Anwendung.

Genau hingeschaut: Quantum Enhanced Imaging

Ein weiterer Einsatzbereich von Quantenphänomenen im Bereich der Messtechnik ist die optische Abbildung – das Quantum Enhanced Imaging. Mit quantenmechanischen Verfahren lassen sich z. B. höhere optische Auflösungen erzielen als mit klassischen Verfahren. Dasselbe Prinzip lässt sich auch in der Quantenlithografie zur Erzeugung kleinerer Strukturen anwenden.
Beim sogenannten Ghost Imaging wird mittels verschränkter Photonenpaare verschiedener Wellenlängen die Wechselwirkung mit dem Objekt und die Detektion (= Aufspüren, Feststellen) des Signals voneinander getrennt. So lassen sich objekt- und detektorseitig optimal angepasste Wellenlängen nutzen, um die Detektionseffizienz zu steigern oder sicherzustellen, dass das Objekt nicht beeinträchtigt wird. Rauschen in optischen Kanälen lässt sich selektiv durch Nutzung sogenannter gequetschter Lichtzustände reduzieren oder zumindest so modifizieren, dass die gesuchte Messgröße weniger beeinträchtigt wird

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