Mit Quantentechnologie zu mehr Präzision

Im alltäglichen Leben stößt man äußerst selten auf Quantentechnologien. 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.

Quantentechnologien 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 Technologie 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 Messtechnologie 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 Quantentechnologie.“

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-Technologien 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.

Fachkongress Quantum Photonics zeigt zahlreiche neue Entwicklungen

Wie sich Quantentechnologien 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)-Technologie, 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 Technologien und neuartige Materialsysteme in skalierbare Photonik-Technologieplattformen 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 Quantentechnologien 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 Nanotechnologie.

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 Technologie für die Schwingungsmessung und Biosensorik bietet, erklärt Dr. Axel Schönbeck von Noisy Labs in seinem Vortrag.

Standort Thüringen punktet mit großer Expertise

Der Standort Thüringen ist für die Messe Quantum Photonics wie geschaffen: Dort gibt es nicht nur eine lange Tradition in der Hochtechnologie, vor allem im Bereich Optik und Photonik, sondern mit dem Fraunhofer IOF in Jena zudem einen Vorreiter im Bereich des Quantenimaging. Auch die Universität Jena ist ein Entwicklungstreiber der Quantentechnologien.

Parallelveranstaltung rapid.tech 3D

Die rapid.tech 3D, Leitmesse der Additive Manufacturing-Industrie , findet parallel zur Quantum Photonics vom 13. bis 15. Mai 2025 statt. Da der Bereich der Additiven Fertigung insbesondere für viele optisch basierte Quantentechnologien Anwendung findet, wird die Verzahnung beider Kongress-, Foren- und Netzwerkbereiche Synergien für Aussteller und Besucher schaffen.

Das gesamte Kongressprogramm der Quantum Photonics im Überblick sowie Tickets für den Fachkongress mit Ausstellung gibt es online auf www.quantum-photonics.de.

Veranstalter

Messe Erfurt GmbH | Gothaer Straße 34 | 99094 Erfurt | www.messe-erfurt.de | Tel. 0361 400-0