In diesem Artikel werden wir die verschiedenen Arten von Quantensensortechnologien, ihre Auswirkungen auf die Fertigung und die zukünftige Entwicklung dieses Forschungsfelds erörtern. Man mag es kaum glauben, aber die Quantensensorik ist ein Technologiegebiet, das bereits seit über 50 Jahren existiert und heute in Lasern wie LIDAR, Magnetresonanztomographie (MRT) und Photovoltaikzellen weit verbreitet ist.
Obwohl die Gesellschaft bereits von diesen Technologien profitiert, sind sie nicht so bekannt wie das viel diskutierte Quantencomputing und die Quantenkommunikation. Der oft zitierte „Quantenvorteil“ bezieht sich auf die Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme in kürzester Zeit zu lösen und damit zuvor unpraktikable und komplexe Probleme lösbar zu machen. Quantenkommunikation wird häufig im Kontext der Cybersicherheit diskutiert. Beide Bereiche wachsen rasant, sind aber noch einige Jahre von einer flächendeckenden Anwendung entfernt.
Die wichtigsten Ansätze für Quantensensorik sind Photonik und Festkörpersysteme. Die Photonik befasst sich mit der Manipulation von Licht auf vielfältige Weise, während Festkörpersysteme Sensoren nutzen, die sich in einem bekannten Quantenzustand befinden und sich durch die Wechselwirkung mit einem Stimulus (dem zu messenden Objekt) verändern. Innerhalb dieser Ansätze lassen sich Quantensensortechnologien in fünf verschiedene Kategorien einteilen, die sich in ihren Stärken ergänzen.
(1) Quantenbildgebung- die Nutzung von Quanten-Lidar/Radar zur Erkennung sich bewegender oder versteckter Objekte, wobei das bekannteste Anwendungsgebiet die Landesverteidigung ist.
(2) Quantenelektromagnetische SensorenDiese Sensoren messen dynamische elektromagnetische Felder mithilfe von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, Atomdämpfen und supraleitenden Schaltkreisen. Sie werden sowohl in Verteidigungsanwendungen als auch im Gesundheitswesen, beispielsweise in MRT-Geräten, eingesetzt.
(3) Gravimeter& GRadiometerSie messen die Stärke bzw. die Variation des Schwerefeldes. Aktuelle Anwendungen umfassen geophysikalische Phänomene im Untergrund und werden hauptsächlich im Energiesektor zur Suche nach Lagerstätten eingesetzt.
(4) Thermometer& BArometer (MMessungTTemperatur& AatmosphärischPDruckRjeweils)- Diese Spezialinstrumente sind wesentlich empfindlicher als die üblicherweise verwendeten und erreichen durch den Einsatz von kalten Atomwolken und supraleitenden Quantenschnittstellen eine höhere Genauigkeit in kritischen Anwendungen wie U-Booten oder Flugzeugen.
(5) SpezifischSensingAAnwendungenWmitQuantumCComputerisierung oderCKommunikation oderA CKombination vonBbeide- Diese Anwendungen müssen weiterentwickelt werden, sobald Quantencomputer- und Kommunikationstechnologien ausgereifter sind.
Anfänglich wurde Quantensensorik in Produkten eingesetzt, die wir heute häufig sehen, wie beispielsweise Digitalkameras. Die nächste Generation kommerziell verfügbarer Quantensensorik wird Herstellern in vielerlei Hinsicht Vorteile bringen: durch extrem hohe Empfindlichkeit bei Messungen, die Präzision und Genauigkeit erfordern, und durch die regelmäßige Entwicklung neuer Anwendungsfälle in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Chemie, der Automobilindustrie und der Telekommunikation. Dies ist möglich, da diese Sensoren die Quanteneigenschaften von Systemen nutzen, um kleinste physikalische Veränderungen und Merkmale in diesen Systemen zu messen.
Die nächste Generation der Quantensensorik ist kleiner, leichter und kostengünstiger als ihre Vorgänger und bietet im Vergleich zu herkömmlichen Sensortechnologien eine unglaublich hohe Messauflösung. Zu den ersten Anwendungsfällen zählen Qualitätskontrollmessungen an hochwertigen Produkten durch die Erkennung kleinster Defekte, präzise Messungen an Präzisionsprodukten sowie zerstörungsfreie Prüfungen durch die Analyse von Strukturen, die unter der Oberfläche verborgen liegen.
Zu den aktuellen Hürden für die Einführung von Quantensensortechnologien der nächsten Generation zählen Entwicklungskosten und -zeit, die die branchenweite Verbreitung verzögern könnten. Weitere Herausforderungen sind die Integration neuer Sensoren in bestehende Datensysteme und die branchenweite Standardisierung – Probleme, die viele der Schwierigkeiten bei der Einführung und Integration neuer Technologien widerspiegeln. Branchen mit geringerer Preissensibilität, die am meisten profitieren, werden eine Vorreiterrolle einnehmen. Sobald die Verteidigungs-, Biotechnologie- und Automobilindustrie Anwendungen und Geschäftsmodelle für diese hochentwickelten Technologien demonstriert haben, werden sich mit der Weiterentwicklung und Skalierung der Technologie weitere Anwendungsfälle ergeben. Methoden und Techniken für Messungen mit höherer Auflösung werden noch wichtiger, da die Fertigungsindustrie neue Technologien einsetzt, um Genauigkeit und Flexibilität zu verbessern, ohne Kompromisse bei Qualität oder Produktivität einzugehen.
Es ist wichtig, sich auf die Vorteile zu konzentrieren, die sich durch die Kombination anderer führender Technologien mit Quantensensorik, wie beispielsweise drahtlosen Netzwerken, ergeben. Auch fertigungsnahe Branchen wie das Bauwesen und der Bergbau werden davon profitieren. Wenn die Technologie es schafft, diese Sensoren so klein und kostengünstig zu entwickeln, könnten sie möglicherweise auch in Smartphones Einzug halten.
Veröffentlichungsdatum: 30. Januar 2024