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Quantensensorik in Deutschland

2022 wird ein spannendes Jahr

6. Dezember 2021, 9:40 Uhr | Markus Haller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Die vier laufenden Projekte: Quantenzustände kontrollieren, industrielle Wertschöpfungskette, quantenfähige Serien-Laserlichtquellen und 1000x günstigere NMR-Spektrometer.

Im Projekt-Steckbrief wird das Projektvolumen mit der Förderquote in Klammern, die Laufzeit, das Projektziel und der Projektkoordinator angegeben. Es folgt jeweils eine kurze Erläuterung zu den Projekt-Hintergründen.

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QuaSeRT – Teilvorhaben NanoKoM

Projektvolumen: 290.000 Euro (100 %).

Laufzeit: 01.04.2018 – 31.12.2021.

Ziel: Quantenzustände herstellen und gezielt verändern können.

Projektkoordination: Università di Firenze (aus Deutschland ist die Universität Konstanz beteiligt).

Im Projekt »QuaSeRT« sollen die Grundlagen geschaffen werden, um Quantensensoren mit optomechanischen Bauteilen zu entwickeln, die sich bei Raumtemperatur betreiben lassen. »Heutige quanten-optomechanische Bauteile [sind] auf den Betrieb nahe des absoluten Nullpunkts angewiesen und somit bislang nur eingeschränkt für sensorische Anwendungen nutzbar«, schreiben die Projektpartner. Im Teilvorhaben »NanoKoM« werden quantenmechanische Eigenschaften, die für die Entwicklung von Quantensensoren verstanden werden müssen, anhand von physikalischen Systemen untersucht, die den Regeln der klassischen Physik gehorchen. Es ist also im Grenzbereich zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung anzusiedeln. Der Vorteil an diesem Ansatz liegt darin, dass solche klassischen Systeme bereits gut erforscht und verstanden sind, sodass man die neuen Quantenphänomene von einer bekannten Ausgangsbasis aus untersuchen kann. In diesem Fall ist das klassische System eine frei aufgehängte, extrem dünne Nano-Saite, die sich wie eine Gitarrensaite zum Schwingen anregen lässt. Dabei entstehen Interferenzphänomene, wie sie auch in Quantensystemen für Quantensensoren auftauchen.

DiaQuantFab

Projektvolumen: 2,5 Mio. € (74 %).

Projektlaufzeit 15.05.2019 – 14.05.2022.

Ziel: Die Herstellung und Verarbeitung von Quantenmaterialien so zu standardisieren, dass eine Wertschöpfungskette für quantenbasierte Messtechnik entstehen kann.

Projektkoordination: CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH.

Das Projekt »DiaQuantFab« zielt darauf ab, die Grundlagen für eine Wertschöpfungskette für Diamant-Quantensensoren aufzubauen. »Bisher gelingt es nur in universitärem Maßstab mit solchen Quantensystemen zu arbeiten«, heißt es in der Projektbeschreibung. Projektziel ist die Entwicklung von gemeinsamen Qualitätsstandards entlang der Prozesskette, angefangen ab der Diamanten-Synthese über Baugruppen bis zur industrierelevanten Applikation. Aus einem einheitlichen Verständnis von Messgrößen könnten, so die Projektleiter, die bisher fehlenden Qualitätsstandards abgeleitet werden. So soll eine durchgehende Wertschöpfungskette entstehen. Im Fokus stehen industrietaugliche Verfahren zur Diamantsynthese und Diamantbearbeitung. Als Machbarkeitsnachweis werden mit den entwickelten Baugruppen zwei Demonstratoren gefertigt: ein industriell einsetzbarer hochsensitiver Magnetfeldsensor und ein kalibrationsfreies Amperemeter.

MiLiQuant

Projektvolumen: 9,5 Millionen Euro (56,9 %).

Laufzeit: 01.02.2019 – 31.10.2022.

Ziel: Entwicklung von Laserlichtquellen für industrietaugliche Quantensensoren und quantenbasierte Bildgebung.

Projektkoordination: Q.ant GmbH (Stuttgart).

Der nächste Schritt zur technischen Nutzbarmachung von Quanteneffekten besteht darin, die verfügbaren Laboraufbauten in industriell verwendbare Systeme zu überführen. Im Projekt »MiLiQuant« werden auf der Basis von Diodenlasern miniaturisierte, frequenz- und leistungsstabile Strahlquellen entwickelt, »die einen möglichst justage- und wartungsfreien Einsatz auch außerhalb von Laborbedingungen erlauben«, schreiben die Projektpartner im Projektsteckbrief. Entwickelt wird dabei anhand der Anforderungen für konkrete Quantensensorik-Anwendungen. Die Forscher nennen hier Diamant-Quantensensoren für die medizinische Diagnostik, hochpräzise Gyroskope für autonomes Fahren und quantenbasierte Bildgebungsverfahren für strahlungsreduzierte Mikroskopie an lebenden Zellen. Zwei Schwerpunkte setzen die Forscher auf additiv gefertigte Kunststoffoptiken und die Weiterentwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnik im Hinblick auf die Erfordernisse der Quantentechnologie.

NanoSpin

Projektvolumen: 1,2 Mio. Euro (84,2 %).

Laufzeit: 01.06.2018 – 31.03.2022.

Ziel: Klassische Methoden der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) gegen quantenmechanische Verfahren austauschen.

Projektkoordination: Universität Stuttgart.

NMR-Verfahren basieren darauf, die Spinzustände von Elektronen durch ein Magnetfeld einheitlich auszurichten. Dafür werden Magnetfelder im Bereich von einigen 10 Tesla benötigt, »wofür tonnenschwere Magnete erforderlich sind, die ganze Räume füllen«, heißt es in der Beschreibung des Projekts »NanoSpin«. Als Alternative dazu wollen die Projektpartner Diamant-Quantensensoren nutzen. Ihre NV-Zentren lassen sich bei Raumtemperatur durch Laserpulse sozusagen vorjustieren. » Als Konsequenz kann das externe Magnetfeld sehr viel geringer sein als bei der konventionellen NMR, was eine massive Reduktion des gerätetechnischen Aufwands bedeutet.« Als weiteres Projektziel soll die nötige Lasertechnik und Elektronik so weit miniaturisiert werden, dass ein tragbares Spektrometer mit 1 Liter Bauvolumen für Gewebe- und Zellkulturen gefertigt werden kann, dass sich preislich im Bereich von 10.000 € bewegen soll - erheblich günstiger als konventionelle Systeme, deren Preis bei etwa 10 Millionen Euro liegt und deren Bauvolumen einen ganzen Raum ausfüllt.