Messgeräte überwachen die Produktion und helfen bei der Steuerung von Anlagen, Sensoren detektieren verschiedene physikalische Parameter, Bildgebung wie Mikroskopie ermöglicht Einblicke in die Welt des Mikrokosmos. Ergänzt man diese Devices, die auf der klassischen Physik beruhen, um quantentechnische Ansätze, macht die Empfindlichkeit und Sensitivität einen gewaltigen Sprung nach oben. Welche Chancen und Möglichkeiten die Quantenwelt für den Bereich Instrumentation & Measurement bietet, zeigt die Anwendertagung mit begleitender Fachausstellung Quantum Photonics, die erstmalig am 13. und 14. Mai 2025 in Erfurt stattfindet.
Im alltäglichen Leben stößt man äußerst selten auf Quantentechniken. Doch könnten die nach tiefster Physik klingenden Ansätze künftig dabei helfen, alltagsrelevante Probleme zu lösen. So wäre es etwa möglich, dass Quanten-Magnetometer in Brücken integriert Materialermüdung frühzeitig entdecken – und beispielweise langfristig Unglücke wie den Einsturz der Carolabrücke in Dresden verhindern.
Quantentechniken bieten zahlreiche Vorteile für Unternehmen
Noch reagieren Unternehmen jedoch recht zögerlich, auf Quantensensorik und Co. zu setzen. Warum es sich für Firmen lohnt, in die neue Technik zu investieren, und wie sich Quantensysteme für Sensorik und Kommunikation preiswerter, modularer und miniaturisierter herstellen lassen, erörtern Expertinnen und Experten auf der Kongressmesse Quantum Photonics am 13. und 14. Mai 2025 in Erfurt. „Unser Ziel liegt darin, die Vorteile der Quantenphysik herauszustellen und den Quantenansatz tiefer im Bereich der Messtechnik zu verankern“, sagt Dr. Ramona Eberhardt, Abteilungsleiterin und stellvertretende Institutsleiterin am Fraunhofer IOF. „Hierbei auch heimische Unternehmen ins Boot zu holen ist elementar, um die Prozessketten wieder in der Hand zu haben und die nationale Souveränität herzustellen.“
Der größte Vorteil, den Quanten für Instrumentation & Measurement bieten, liegt in der hohen Sensitivität. Während Sensitivität und Empfindlichkeit beim Bau eines Quantencomputers einen Nachteil darstellen, den man zu überwinden versucht, bietet sie in der Messtechnik einen konkreten Nutzen: Physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische Felder oder Gravitation lassen sich über die Änderung quantenmechanischer Zustände deutlich empfindlicher und präziser messen als bisher.
Quantenimaging für die Krebsdiagnostik
Weitere Vorteile ergeben sich je nach Messaufgabe. Sind abbildende Untersuchungen gefragt, sind optische Verfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie im sichtbaren Wellenlängenbereich zwar äußerst effizient, doch stoßen sie in Wellenlängenbereichen wie dem Ultraviolett (UV), Infrarot (IR) oder Terahertz an ihre Grenzen. „Das Quantenimaging ermöglicht auch in diesen Spektralbereichen genaue Einblicke“, sagt Eberhardt, Forenbetreuerin für die Session „Quantum for Instrumentation and Measurement“ auf der Quantum Photonics. „Der große Vorteil: Beobachtung und Detektion können bei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt werden – ein Alleinstellungsmerkmal der Quantentechnik.“
Auf der Messe werden unter anderem verschiedene miniaturisierte Quellen zu sehen sein, die den gesamten Wellenlängenbereich abdecken. Interessant sind diese etwa im Bereich der Medizin: Über die verschiedenen Wellenlängen lassen sich unterschiedliche Moleküle aufspüren und beispielsweise Tumorzellen von gesunden Zellen unterscheiden. Tumore könnten sich so deutlich früher diagnostizieren und somit auch erfolgreicher behandeln lassen als bisher. Die entsprechende Quantenmikroskopie entwickelt das Forschungsbündnis QUANCER, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF finanziert wird und dem insgesamt neun Partner aus Wissenschaft und Industrie angehören, darunter auch das Fraunhofer IOF. „Durch den Einsatz von Quantenbildgebungsverfahren mit nicht-detektiertem Licht können wir die bisherigen Grenzen der Infrarot-Mikroskopie überwinden“, erläutert Eberhardt. Wie meistens im Bereich der Quanten-Techniken wird das Quantenimaging-System nicht alleine eingesetzt, sondern erweitert die herkömmliche Bildgebung. Langfristig dient dies nicht nur zur Entwicklung eines neuen Krebsdiagnostik-Werkzeugs, sondern es lassen sich auch Mikroorganismen, Viren und Gifte aufspüren. Auf der Vortragsbühne wird Dr. Valerio Flavio Gili vom Fraunhofer IOF das Projekt vorstellen.
Messung des Gravitationsfelds der Erde: Bodenschätze aufspüren
Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet ist die Messung des Gravitationsfeldes der Erde. Da sich dieses mit Quantensensoren deutlich präziser vermessen lässt als bisher, könnte es künftig möglich sein, Lagerstätten von Bodenschätzen wie seltenen Erden ohne aufwändige Bohrungen ausfindig zu machen. Wie sich Quantentechniken in diesen und zahlreichen weiteren Bereichen des Instrumentation & Measurement künftig einsetzen lassen, welche neuen Entwicklungen es gibt und wo die Reise langfristig hingeht, stellen Expertinnen und Experten auf der Quantum Photonics am 13. und 14. Mai 2025 in Erfurt vor. So erörtert Dr. Massimo Gandola vom Fondazione Bruno Kessler die Vielseitigkeit der Single-Photon Avalanche Diode (SPAD)-Technik, die bei der Weiterentwicklung der Quantensensorik eine entscheidende Rolle spielt – erlaubt sie es doch, mit Hilfe hochsensitiver Photodetektoren einzelne Photonen zu detektieren.
Um neue Photonik- und Quantenanwendungen zu realisieren gilt es, unterschiedliche Techniken und neuartige Materialsysteme in skalierbare Photonik-Technikplattformen zu integrieren. Dabei müssen vielfach widersprüchliche Anforderungen und Einschränkungen miteinander in Einklang gebracht werden. Joni Mellin von der X-FAB Global Services GmbH stellt auf dem Fachkongress eine heterogene, integrationsoptimierte Silizium-Photonik-Plattform vor, die diese Herausforderung bewältigt und Entwicklern von Quantenanwendungen zudem Designflexibilität bietet.
In den kommenden Jahren wird ein Milliardenmarkt für Quantentechniken erwartet. Der Schlüssel zur breiten Akzeptanz und Kommerzialisierung liegt in skalierbaren On-Chip-Lösungen. Doch wie lassen sich quantenoptische Komponenten auf Chipebene integrieren? Dr. Sebastian W. Schmitt vom Fraunhofer IOF zeigt innovative Lösungsansätze auf, um Quantenzustände von Licht gezielt zu erzeugen und zu modifizieren – durch Fortschritte in der modernen Materialwissenschaft und Nanotechnik.
Bei Licht, dass sich in einem speziellen Quantenzustand befindet, spricht man auch von Squeeze Light oder gequetschtem Licht. Squeezed Laser erhöhen nicht nur die Signalleistung, sondern reduzieren auch das Photonenschrotrauschen, das hochpräzise laserbasierte Messungen vielfach limitiert. Welche Möglichkeiten diese Technik für die Schwingungsmessung und Biosensorik bietet, erklärt Dr. Axel Schönbeck von Noisy Labs in seinem Vortrag.