Quantensensorik gilt als eine der spannendsten Entwicklungen der modernen Messtechnik. Sie verspricht Messungen, die mit klassischer Sensorik bislang nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich sind. Magnetfelder, Beschleunigungen, Temperaturen oder Gravitation lassen sich mit extrem hoher Empfindlichkeit erfassen. Doch zwischen einem beeindruckenden Labordemonstrator und einem robusten Industriesensor liegt ein weiter Weg.
Ist die Industrie bereits bereit für Quantensensorik – oder ist die Technologie ihrer Zeit noch voraus? Die Antworten aus Forschung und Industrie zeichnen ein differenziertes Bild: Das Interesse wächst, erste konkrete Anwendungen entstehen und wichtige technologische Grundlagen sind vorhanden. Gleichzeitig fehlen vielerorts noch Standardisierung, Miniaturisierung, Skalierbarkeit und vor allem überzeugende Use Cases.
Wenn klassische Sensorik an ihre Grenzen kommt
Quantensensoren nutzen quantenmechanische Effekte, um physikalische Größen mit besonders hoher Empfindlichkeit zu messen. Dabei werden beispielsweise einzelne Atome, Elektronen, Photonen oder definierte Quantenzustände als Messreferenz genutzt.
Das Prinzip klingt abstrakt, lässt sich aber vereinfacht so beschreiben: Ein Quantensystem wird gezielt in einen definierten Zustand gebracht. Verändert sich beispielsweise ein Magnetfeld, eine Beschleunigung oder die Gravitation, verändert sich auch der Zustand des Quantensystems. Diese Veränderung lässt sich auslesen und in eine hochpräzise Messgröße übersetzen.
Eine wichtige Rolle spielen dabei sogenannte Stickstoff-Vakanz-Zentren, kurz NV-Zentren, in Diamanten. Dabei handelt es sich um atomare Defekte im Kristallgitter, deren Quantenzustände sich optisch auslesen lassen. Besonders interessant: Solche diamantbasierten Sensoren können bei Raumtemperatur arbeiten und lassen sich zunehmend miniaturisieren.
Andere Quantensensoren arbeiten beispielsweise mit atomaren Materiewellen. Atominterferometer können dadurch Beschleunigungen, Rotationen und Gravitationsänderungen mit hoher Langzeitstabilität erfassen. Daraus ergeben sich Perspektiven für Navigation, Geodäsie, Exploration und Erdbeobachtung.
Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht mehr nur: Kann Quantensensorik extrem präzise messen? Sondern: Kann sie diese Präzision unter realen industriellen Bedingungen nutzbar machen?
Vom Forschungslabor in die Industrie
Genau an dieser Schnittstelle setzt die aktuelle Entwicklung an. Das Fraunhofer IAF beispielsweise arbeitet an diamantbasierten Quantensensoren und konkreten Anwendungen in Bereichen wie Materialprüfung, Medizin und Navigation.
Auch Forschungsprojekte werden zunehmend auf die industrielle Verwertung ausgerichtet. Dabei geht es längst nicht mehr ausschließlich darum, einen möglichst empfindlichen Sensor zu entwickeln. Entscheidend ist das Gesamtsystem: Sensor, Lichtquelle, Elektronik, Signalverarbeitung, Software, Gehäuse und Schnittstellen müssen zusammenspielen. Genau hier entscheidet sich, ob aus Quantensensorik ein Forschungsinstrument oder ein industrielles Produkt wird.
Dass die Industrialisierung dabei selbst eine technologische Herausforderung darstellt, zeigt die Perspektive von Johannes Schaefer von duotec. Das Unternehmen beschäftigt sich unter anderem mit der komplexen Elektronikfertigung für neue Technologien. „Wir leisten hier echte Pionierarbeit. Der Weg zur serienreifen Quantensensorik wurde bislang nur von wenigen beschritten.“
Gerade der Schritt vom Demonstrator zum Serienprodukt bringt neue Risiken mit sich. Für Schaefer gehört diese Unsicherheit jedoch zum Charakter eines Technologiefelds, das sich noch entwickelt. Als Spezialist für komplexe Elektronikfertigung sieht duotec zugleich Möglichkeiten, diese Herausforderungen gemeinsam mit Partnern zu beherrschen.
Besonders wichtig ist dabei die Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Denn bei Quantensystemen müssen häufig hochkomplexe elektronische, optische und quantenphysikalische Komponenten zusammengebracht werden. „Besonders spannend ist, dass wir gemeinsam mit Partnern kontinuierlich neue Ideen entwickeln – daraus entstehen oft völlig neue Chancen“, so Johannes Schaefer.
Damit wird ein Aspekt sichtbar, der für die industrielle Entwicklung von Quantensensorik entscheidend sein dürfte: Der Weg zur Marktreife ist kein linearer Technologietransfer aus dem Labor. Vielmehr entstehen viele Anwendungen erst durch die Zusammenarbeit von Forschung, Sensorherstellern, Elektronikentwicklern und Anwendern.
Miniaturisierung entscheidet über den industriellen Einsatz
Eine der größten Herausforderungen ist dabei die Größe der Systeme. Was im Forschungslabor noch auf mehreren optischen Tischen Platz findet, muss für den industriellen Einsatz kompakt, robust und automatisierbar werden.
Johannes Schaefer beschreibt die Entwicklung bei duotec als deutlichen Schritt in diese Richtung. Ein Beispiel ist ein QKD-Sensor, bei dem das Unternehmen nach eigenen Angaben eine ursprünglich etwa vier Lunchboxen große Lösung inklusive Optik und Elektronik auf die Größe eines Cent-Stücks integrieren konnte.
Damit wird greifbar, was Miniaturisierung bei Quantentechnologien bedeuten kann: Nicht allein die Leistungsfähigkeit des eigentlichen Quantensystems entscheidet über den Markterfolg. Erst die Integration von Optik, Elektronik und Auswertung in einen kleinen und robusten Formfaktor eröffnet industrielle Einsatzmöglichkeiten.
Nach Einschätzung Schaefers schafft diese Entwicklung Perspektiven für industrielle Skalierung und Automatisierung sowie für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen bis hin zu Satelliten. Aus Quantentechnologie wird damit zunehmend ein Systemtechnik-Thema.
Auf Kundenseite stoße Quantentechnologie bereits auf großes Interesse. Besonders relevant seien Anwendungen, bei denen hohe Sicherheitsanforderungen mit neuen technischen Möglichkeiten verbunden werden. Damit beschreibt Schaefer einen Markt, der sich noch am Anfang befindet, aber zunehmend konkreter wird. Die Zahl der Anbieter wächst, während gleichzeitig Unternehmen beginnen, sich mit möglichen Anwendungen und Geschäftsmodellen auseinanderzusetzen. „Für uns war früh klar, dass wir auf dieses Zukunftsfeld setzen, um uns über Innovation zu differenzieren.“
Präzision allein reicht nicht
Denn ein Sensor mit herausragender Empfindlichkeit ist noch kein gutes Industrieprodukt. In der industriellen Messtechnik zählen auch andere Eigenschaften: Robustheit, Baugröße, Energieverbrauch, Kosten, Schnittstellen, Wartungsaufwand und einfache Integration in bestehende Systeme.
Gerade bei Quantensensoren ist das eine Herausforderung. Viele Quantensysteme reagieren äußerst empfindlich auf ihre Umgebung. Vibrationen, Temperaturänderungen oder elektromagnetische Störungen können die Messung beeinflussen. Je nach Technologie kommen außerdem komplexe Optiken, Laser, Vakuumsysteme oder aufwendige Abschirmungen hinzu.
Die entscheidende Entwicklungsaufgabe lautet daher: Wie lässt sich die außergewöhnliche Empfindlichkeit der Quantenwelt mit der Robustheit der Industrie verbinden?
Bei diamantbasierten NV-Sensoren gibt es hier bereits interessante Ansätze. Sie benötigen beispielsweise keine Kryotechnik und können bei Raumtemperatur betrieben werden. Andere Quantensensoren wiederum nutzen atomare Systeme und Materiewellen und stellen entsprechend andere Anforderungen an Aufbau und Umgebung.
Der Diamant wird zum Sensor
Was zunächst nach Grundlagenphysik klingt, kann dabei erstaunlich praktisch werden. In einem Diamanten werden gezielt NV-Zentren erzeugt. Wird der Diamant mit Licht angeregt, lässt sich der Zustand dieser Zentren optisch auslesen. Ein äußeres Magnetfeld verändert die Zustände – und damit das ausgelesene Signal. So wird aus einem scheinbar unspektakulären Stück Kohlenstoff ein hochsensitives Magnetometer.
Für die Industrie eröffnet das Möglichkeiten, die klassische Sensoren nur schwer erreichen. Magnetische Signaturen können beispielsweise Informationen über Materialeigenschaften, Stromflüsse oder kleinste Defekte liefern. Besonders interessant ist dabei die Kombination aus hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung. So können Magnetfeldverteilungen auf kleinsten Skalen sichtbar gemacht werden. Das könnte die Qualitätskontrolle dort verändern, wo klassische Prüfverfahren an ihre Grenzen kommen.
Von der Materialprüfung bis zur Navigation
Das Anwendungsspektrum ist entsprechend breit.
Medizin: In der Medizin könnten Quantensensoren kleinste magnetische Signale von Herz, Gehirn oder Nerven erfassen. Diamantbasierte Magnetometer bieten dabei den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur arbeiten können. Forscher am Fraunhofer IAF untersuchen beispielsweise Anwendungen für die Biomedizin. Quantensensoren könnten künftig dazu beitragen, biologische Prozesse berührungslos und mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Auch die Verbesserung bestehender Verfahren wie der Magnetresonanztomografie ist ein Forschungsfeld. Nanodiamanten und Quantensensorik sollen dabei helfen, magnetische Signale empfindlicher auszuwerten.
Material- und Qualitätsprüfung: Für die Industrie besonders interessant ist die zerstörungsfreie Prüfung. Kleinste Risse, Verformungen oder Materialveränderungen können eine magnetische Signatur erzeugen. Wenn diese Signatur mit einem Quantensensor sichtbar wird, könnten sich Prüfverfahren für Werkstoffe, Halbleiter oder elektronische Bauteile erheblich erweitern.
Navigation ohne GPS: Eine weitere Schlüsselanwendung liegt in der Navigation. Atomare Quantensensoren können Beschleunigungen, Rotationen und Gravitationsänderungen mit hoher Präzision erfassen. Damit entsteht langfristig die Möglichkeit, Navigationssysteme unabhängiger von Satellitensignalen zu machen. Das ist insbesondere für Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, autonome Systeme und Anwendungen interessant, in denen GPS nicht zuverlässig verfügbar ist.
Halbleiter und Mikroelektronik: Auch in der Halbleiterindustrie könnte Quantensensorik eine wichtige Rolle spielen. Je kleiner Strukturen werden, desto schwieriger wird es, ihre Eigenschaften mit klassischen Messverfahren vollständig zu erfassen. Hier könnte eine Stärke der Quantensensorik besonders deutlich werden: Nicht einfach genauer messen, sondern Dinge sichtbar machen, die bisher messtechnisch verborgen blieben.
Die Integration wird zum Schlüssel
Die Aussagen von duotec, Fraunhofer IAF, Elmos und Infineon treffen sich an einem zentralen Punkt: Die Zukunft der Quantensensorik entscheidet sich nicht allein an der Empfindlichkeit des Quantensystems.
Infineon Technologies sieht Quantensensorik beispielsweise als Systemaufgabe. Halbleiter-, Siliziumkarbid- und Integrations-Know-how sollen helfen, Quantensensoren in skalierbare und energieeffiziente Systeme zu überführen. Heinrich Heiss von Infineon formuliert es entsprechend: „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Integration von Quantensensoren in reale Anwendungen.“
Auch Elmos verfolgt diesen Gedanken aus einer anderen Perspektive. Dr. Bernd Burchard sieht die notwendige Auswerteelektronik bereits als wichtigen Baustein für die spätere Serienfertigung. „Jetzt liegt der nächste Schritt bei der Industrie. Sobald aus vielversprechenden Pilotprojekten Serienanwendungen werden, sind wir bereit zu liefern.“
Damit entsteht ein gemeinsames Bild: Die Bausteine für eine industrielle Quantensensorik entstehen derzeit an unterschiedlichen Stellen – in der Quantenphysik, der Sensorik, der Mikroelektronik und der Elektronikfertigung.
Was muss noch passieren?
Trotz der Fortschritte bleiben einige Hürden.
- Miniaturisierung: Laboraufbauten müssen zu kompakten Modulen werden.
- Robustheit: Quantensensoren müssen mit Vibrationen, Temperaturschwankungen und elektromagnetischen Störungen umgehen können.
- Skalierbarkeit: Für industrielle Anwendungen müssen Sensoren und ihre Peripherie in größeren Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar sein.
- Standardisierung: Anwender benötigen definierte Schnittstellen, Spezifikationen und Vergleichsmöglichkeiten.
- Kosten: Ein technischer Vorteil muss groß genug sein, um den zusätzlichen Aufwand gegenüber etablierten Sensoren zu rechtfertigen.
- Know-how: Unternehmen müssen zunächst erkennen, welche ihrer Messaufgaben überhaupt von Quantensensorik profitieren könnten.
Gerade der letzte Punkt wird häufig unterschätzt. Für viele Unternehmen lautet die erste Frage nicht: „Welchen Quantensensor können wir kaufen?“, sondern vielmehr: „Welches Problem könnten wir mit Quantensensorik überhaupt besser lösen?“
Vom „Quantum Hype“ zum konkreten Business Case
Für Industrieunternehmen dürfte deshalb ein pragmatischer Ansatz interessant sein: nicht auf die eine große Revolution warten, sondern konkrete Messprobleme identifizieren.
- Wo reichen bestehende Sensoren nicht aus?
- Wo sind Messungen heute zu langsam, zu ungenau oder zu invasiv?
- Wo könnten berührungslose Messungen einen Vorteil bringen?
- Wo müssen Magnetfelder, kleinste Bewegungen oder Gravitationsänderungen erfasst werden?
- Und vor allem: Wo ist die zusätzliche Präzision tatsächlich wirtschaftlich relevant?
Genau hier könnte die nächste Phase der Quantensensorik beginnen. Denn die Technologie muss nicht klassische Sensoren überall ersetzen. Ihr wirtschaftlicher Wert könnte gerade dort entstehen, wo konventionelle Sensorik an physikalische oder wirtschaftliche Grenzen stößt.
Ist die Industrie bereit?
Die Entwicklung zeigt: Die Quantensensorik verlässt zunehmend das reine Forschungslabor. Erste Anwendungen werden konkret, Sensoren werden kleiner und Unternehmen arbeiten daran, komplexe Quantensysteme mit industrieller Elektronik und Fertigungstechnologie zu verbinden. Gleichzeitig ist die Technologie noch nicht für jede industrielle Anwendung gleichermaßen geeignet. Standardisierung, Kosten, Robustheit und die Entwicklung belastbarer Business Cases bleiben zentrale Aufgaben. Vielleicht ist deshalb eine andere Frage spannender als „Ist die Industrie bereit?“: Ist die Quantensensorik bereit für die Industrie?
Die Antwort darauf hängt weniger von einem einzelnen technischen Durchbruch ab als von der Fähigkeit, aus hochpräzisen Quantensystemen robuste, integrierbare und wirtschaftlich produzierbare Lösungen zu machen. Die Signale dafür sind da. Bei duotec spricht man von einer „Aufbruchstimmung“, Elmos sieht die Voraussetzungen für die Serienfertigung,
Infineon rückt die Systemintegration in den Mittelpunkt und Fraunhofer arbeitet daran, die Technologie in konkrete industrielle Anwendungen zu überführen.
Der nächste Quantensprung könnte deshalb nicht allein im Labor stattfinden. Er könnte in der Fertigung beginnen.
Dirk Schaar
Dirk Schaar hat Maschinenbau an der FH Aachen studiert. In über 25 Jahren als Redakteur, Chefredakteur und Leitender Chefredakteur kennt er sich bestens in den Bereichen Sensorik und Messtechnik, aber auch Antriebs- und Automatisierungstechnik aus.
