Quantensensoren: neue Möglichkeiten für Medizin, Alltag und Industrie

Sie können Krebs früher erkennen, Prothesen steuern und winzigste Signale an der Grenze des theoretisch Möglichen messen. Quantensensoren sind die Spitzentechnologie im Bereich der Sensorik. Im Rahmen des Zukunftsclusters-Finalisten „Quantensensoren der Zukunft“ (QSens) erforscht ein Team rund um Prof. Jens Anders, Clustersprecher und Leiter des Instituts für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS), und Prof. Jörg Wrachtrup, Co-Sprecher und Leiter des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart, die Quantensensorik.

 „Wir machen Quantensensoren fit für den Alltag“, beschreibt Anders eine der Aufgaben von QSens. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen hochpräzise und günstige Sensoren für die Industrie und den Endkunden entwickeln. In drei bis vier Jahren sollen erste Quantensensoren in Serie produziert werden.

Die Industrie hat das große Potenzial der Quantensensoren erkannt: Sie messen präziser und ermöglichen so zahlreiche neue Anwendungen, die für klassische Sensoren nicht zugänglich sind. Ob Magnetfelder, Beschleunigung oder Druck, Quantensensoren erfassen winzigste Signale und Änderungen und messen so genau wie kein Sensor zuvor. „Wir messen am physikalischen Limit“, sagt Anders. Im Gegensatz zu klassischen Sensoren sind die Messwerte von Quantensensoren oft direkt auf die Referenzgrößen des SI-Einheitensystems für physikalische Größen bezogen. Dies spart die sonst notwendige Kalibrierung und somit Geld.

Die von QSens entwickelten Sensoren sollen in den Alltagsbereichen Mobility, Healthcare, Internet of Things und Sustainability eingesetzt werden. Quantensensoren werden in Zukunft zum Beispiel Krebs erkennen, bevor ein Patient Symptome zeigt. Dazu messen sie freie Radikale im Körper, die ein spezifischer Indikator für eine Vielzahl von Erkrankungen, insbesondere auch Krebs, sind. Ebenso werden Patient*innen zukünftig mit Hilfe der Sensoren über Nervenimpulse gezielt Prothesen steuern können. Die nächste Generation von Satelliten-Navigationssystemen wird, ausgestattet mit den neuesten Quantensensoren, viel präziser als heute den Standort bestimmen und so einen wichtigen Beitrag zum autonomen Fahren leisten.

Auch bei der Fahrerassistenz können Quantensensoren wertvolle Dienste leisten. Sie beobachten die Fahrerin oder den Fahrer: Wird sie oder er müde oder tritt ein medizinischer Notfall ein, könnte die Technik Signale senden oder das Steuer übernehmen, um das Fahrzeug sicher zum Stehen zu bringen. Denkbar ist auch, dass Menschen künftig statt mit ihrer Stimme mit ihren Gedanken Maschinen oder Alltagsgegenständen, wie zum Beispiel die Stereoanlage steuern, um so die Lautstärke zu verändern oder den Wiedergabetitel zu wechseln. Das wäre auch für die Medizin ein großer Fortschritt: Patient*innen, die nicht mehr kommunizieren können, sogenannte Locked-in Patient*innen, könnten sich mit Hilfe von Quantensensorik wieder verständigen.

Deutsche Universitäten und Firmen haben im internationalen Vergleich in der Forschungsleistung zu Sensorik eine Spitzenposition. Das Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie in Baden-Württemberg (IQST) [en] unter Beteiligung der Universität Stuttgart ist deutschlandweit führend im Bereich der Quantensensorik. QSens will die wissenschaftliche und wirtschaftliche Vorreiterstellung Deutschlands sichern und ausbauen. Hauptaufgabe des Zukunftscluster-Finalisten ist die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung. „QSens soll eine Brücke sein. Wir transferieren die Erkenntnisse aus dem Physiklabor in die Industrie und in den Alltag der Menschen“, sagt der QSens-Koordinator.

Darüber hinaus wollen die Forscherinnen und Forscher Quantensensoren einer breiten Öffentlichkeit mit Veranstaltungen, Videos und ScienceSlams zugänglich machen. „Quantenphysik ist nichts Übernatürliches. Es ist normale Physik, die dann angewendet werden muss, wenn es um sehr, sehr kleine Energieunterschiede geht“, erklärt Anders.

Mit Fortschreiten der zweiten Quantenrevolution ist es Anders wichtig, eine neue Berufsgruppe zu etablieren, die den Herausforderungen dieser Technologie sowohl theoretisch als auch in der praktischen Umsetzung gewachsen ist. Er will Forscherinnen und Forscher aus den Bereichen Physik und Ingenieurwissenschaften zusammenzuführen, um in Zukunft eine neue Generation von Ingenieur*innen auszubilden: die Quanteningenieur*innen. „Dank der tollen Unterstützung durch die Universität und insbesondere durch unseren Rektor Prof. Wolfram Ressel, werden wir in diesem Bereich eine neue Stelle in QSens schaffen.“ Angesiedelt ist die Stelle im Bereich Physik und ihre Didaktik am 5. Physikalischen Institut. Dazu wird derzeit einen Masterstudiengang entwickelt.