Quantum Sensing ist ein Oberbegriff, der Techniken und Methoden umfasst, bei denen quantenmechanische Phänomene genutzt werden, um präzise Messungen physikalischer Größen durchzuführen. Dabei werden quantenmechanische Zustände und Effekte wie Quanten-Superposition, Quanteninterferenz und Quantenkohärenz verwendet, um die Messgenauigkeit über die Grenzen klassischer Sensoren hinaus zu verbessern.
In der Quantensensorik werden festkörperbasierte oder auch photonische Quantenquellen entwickelt, die quantenbasierte Messungen ermöglichen. Auf diesem Gebiet sind in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt worden.
Bemerkung:
Der Artikel über Anwendungen aus der Quantensensorik soll Besuchern unserer Website, die sich für solche Themen interessieren, einen kleinen Einblick in diesen Bereich geben. Wir selbst beschäftigen uns in erster Linie mit den Anforderungen unserer Kunden an die Datenerfassung und sind nicht in der Telekommunikationsbranche oder in der Glasfasertechnik tätig. Der folgende Inhalt ist daher nicht als wissenschaftliche Abhandlung zu verstehen, sondern spiegelt auch subjektive Eindrücke wider.
So funktioniert es — das Grundprinzip:
Die Bausteine für quantenmechanische Operationen und Anwendungen werden als Quantenpunkte bezeichnet. Dabei handelt es sich um nanoskalige Bereiche (z.B. in einem Halbleitermaterial, einem Metall oder in organischen Molekülen), die aufgrund ihrer winzigen Größe und speziellen Struktur quantenmechanische Eigenschaften aufweisen. Die Energie der Ladungsträger in einem Quantenpunkt nimmt nicht mehr nur kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte an. Das Spektrum eines Quantenpunkt-Ensembles lässt sich dabei als Gaußkurve abbilden, da unterschiedlichen Größenklassen der Quantenpunkte bei leicht verschiedenen Wellenlängen emittieren. Quantenpunkte und die Kombination mehrere Quantenpunkte (sogenannte Quantenpunkt-Ensembles) können anwendungsbezogen in verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Die Abbildung zeigt einen idealisierten (pyramidenförmigen) freistehenden Quantenpunkt aus InAs/GaAs mit einer Benetzungsschicht. Ähnliche Quantenpunkte weisen eine hohe Symmetrie und Stabilität auf und werden beispielsweise bei Experimenten zur Wechselwirkung von Photonen aus verschiedenen Quellen zur Erzeugung einer Polarisationsverschränkung verwendet. Bildquelle: siehe unten.
Photonische Quantensensorik
So kann es z.B. in einem Quantenpunkt zur Emission oder Absorption von Photonen kommen, welche als quantenmechanische Übergängen betrachtet werden. Die Erfassung solcher quantenmechanischer Übergänge erfolgt häufig mittels der Einzelphotonendetektion (TCSPC). Diese ermöglicht den Nachweis von emittierten bzw. absorbierten Photonen, und macht auf diese Weise die quantenbasierten Eigenschaften und Anwendungen des Quantenpunkts in der Praxis nutzbar.
In der photonischen Quantensensorik kommen dabei mittels Laserkühlung erzeugte Bose-Einstein Kondensate, verschiedene Freiheitsgrade eines elektromagnetischen Feldes oder Schwingungsmoden von Festkörpern zum Einsatz um die charakteristische Transformation zwischen zwei Quantenzuständen nutzbar zu machen. Die charakteristischen optischen Zustände des Lichts weisen dabei quantenmechanische Eigenschaften wie "Squeezing" oder Two-Mode-Verschränklung auf. Daher reagieren diese auf physikalische Veränderungen extrem empfindlich, sodass sie mittels interferometischer Messungen erfasst werden können. Durch die Nutzung der Quantenzustände kann auf diese Weise eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden.
Nicht Photonische Quantensensorik
Nicht-photonische Quantensensorik bezieht sich auf die Verwendung von Quantensystemen, die nicht auf Photonen (Licht) basieren, um hochpräzise Messungen durchzuführen. Dabei spielen verschiedene Quantenzustände und -effekte eine entscheidende Rolle:
Spin-Qubits z.B. basieren auf dem Spin von Elektronen oder Atomkernen und können somit als winzige magnetische Nadeln betrachtet werden.
Ionenfallen: Geladene Atome werden mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten und kontrolliert und dienen als hochpräzise Quantensensoren für verschiedene Größen wie elektrische Felder, Zeit und Frequenzen.
Nanopartikel, wie zum Beispiel Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren), können als hochpräzise Sensoren für magnetische und elektrische Felder dienen.
Hinweis: Am Ende dieses Artikels gehen wir genauer auf die Funktionsweise und Verwendung aktueller Sensoren ein.
Da die analysierten Daten in der Quantensensorik auf atomarer Ebene erfasst werden, bietet sie ein enormes Potential hinsichtlich der Genauigkeit von Messungen. Quantensensoren, die sich Quantenphänomene wie z.B. Überlagerung und Verschränkung zunutze machen, um physikalische Größen mit größtmöglicher Präzision zu messen, sind in den letzten Jahren immer ausgefeilter und praktischer geworden. So werden Messaufbauten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamanten, supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren und kryogene Systeme inklusive der entsprechenden Komponenten immer mehr zum Standard in Forschung- und Entwicklungslabors.
So wurde bereits, Quantengradiometer vorgestellt, die auf Basis eines Atominterferometers auf Quantenbasis arbeiten.
Auch andere Umweltparameter, wie z.B. die exakte Analyse von Erdmagnetfeldern oder auch die atmosphärische Zusammensetzung werden damit erstmalig in dieser Genauigkeit messbar.
Die immer weiter verbesserte Quantensensorik wurde immer mehr in andere Quantentechnologien integriert. So ermöglicht beispielsweise die Kombination von Quantensensorik und QKD eine effiziente Fehlerkorrektur und rauschresistente Messungen.
Praktische Anwendungen finden sich heute bereits in den folgenden Anwendungsbereichen:
Mikroskopie und medizinische Bildgebung
Navigation, Positionssysteme und Gyroskope
Kommunikationstechnik
elektrische und magnetische Feldsensorik
geophysikalischen Erkundung, Schürfung von Mineralien und Bodenschätzen
Seismologie
Landvermessung
Großes Potential hat dabei aktuell insbesondere die quantenbasierte Magnetfeldsensorik.
Die Forschung an neuer Quantensensorik arbeitet aktuell an der stetigen Verbesserung der Quantenkohärenz, damit die Möglichkeiten der Quantenphysik für leistungsfähige neue Technologien nutzbar werden. Diese kommt insbesondere in der Untersuchung molekularbiologischen Prozesse zum Tragen. Diese Vorgänge weisen typischerweise nur begrenzte Kohärenz auf, da sie extrem anfällig für Wechselwirkungen mit der Umgebung sind.
Zuzeit haben sich die folgenden Quantendetektoren etabliert:
(Folgen Sie den Links, um weitere Informationen zu den einzelnen Sensoren zu erhalten.)
Ansicht A des Stickstoff-Vakanz-Zentrums: Die blauen Atome stellen Kohlenstoffatome dar, das rote Atom stellt ein Stickstoffatom dar, das ein Kohlenstoffatom ersetzt, und das gelbe Atom stellt eine Gitterleerstelle dar. Bildquelle: siehe unten.
Eine Ionenfalle in einem Ultrahochvakuumgefäß. In der Mitte des Bildes ist ein kleiner heller Punkt zu sehen – ein einzelnes eingefangenes 88Sr+-Ion. (Gesamtsieger des EPSRC-Wettbewerbs für Wissenschaftsfotografie 2018; Ausschnitt hier leicht verändert.)
In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Leibniz Universität Hannover entwickelt das Institut für Experimentelle Quantenmetrologie eine neue und besonders kompakte lineare Ionenfalle, die in eine kompakte Vakuumkammer integriert werden kann. Ziel ist es, die Multi-Ionen-Spektroskopie in einer kommerziellen optischen Uhr einzusetzen. Bildquelle: siehe unten.
Photonenbasierte Detektoren umfassen z. B. SPADS, PMTs oder APDs. Die Abbildung zeigt einen InGaAs-APD-Empfänger von Exelitas. Dieser Hybridempfänger verfügt über eine InGaAs-Avalanche-Photodiode (InGaAs-APD) und einen Vorverstärker. Das Hybridkonzept mit einem Verstärker und einem Photodetektor im selben hermetisch abgedichteten TO-8-Gehäuse ermöglicht eine rauscharme Erkennung und reduziert die parasitäre Kapazität. Bildquelle: siehe unten.
Schematischer Aufbau eines neuartigen Raumtemperatur-Photodetektors unter Verwendung von halbmetallischen Bismut-Nanodraht-Arrays in Verbindung mit Graphen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie zwischen Bismut-Basis und -Drain ist linear und der Widerstand beträgt 90 Ohm. Aufgrund der Erzeugung und Übertragung von Photoladungsträgerpaaren an der Grenzfläche ist der durch das eingebaute Grenzflächenfeld erzeugte Photostrom robust, ohne das Detektionsspektrum zu beeinflussen. Bildquelle: siehe unten.
Die Abbildung zeigt das paarweise Tunneln von Elektronenpaaren durch eine Barriere in einem SQUID. Diese basieren auf Kryotechnik und werden seit Jahren in SQUID-Magnetometern zur Messung minimaler Magnetfelder eingesetzt. Bildquelle: siehe unten.
Die Abbildung zeigt einen Quanten-Hall-Effekt-Chip des Herstellers graphensic mit einer Chipgröße von 3,5 mm*3,5 mm auf einem 350 µm-Substrat (semi-isolierendes SiC mit einschichtigem Graphen), das bis zu 9 Hall-Bars aufnehmen kann. Das Graphen ermöglicht die Beobachtung des Quanten-Hall-Effekts bei relativ niedrigen Magnetfeldern und hohen Temperaturen, wenn es richtig abgestimmt ist, hier bei T ≤ 4K, B ≥ 5T. Bildquelle: siehe unten.
Die Abbildung zeigt das Designkonzept und die Geometrie des Triad-Quantenbeschleunigungsmessers (QuAT). Die hybride 3D-Architektur kombiniert kalte Atome und klassische Beschleunigungsmesser, um eine Datenrate von 1 kHz und eine extrem niedrige Vorspannung für die Messung der drei Beschleunigungskomponenten zu erreichen. Hier werden die Beschleunigungskomponenten in drei zueinander orthogonalen Richtungen entlang der Wellenvektoren (kx, ky und kz) gemessen, die senkrecht zur Oberfläche des jeweiligen Spiegels stehen. Bildquelle: siehe unten.
Anforderungen an TDCs und ADCs, die in der Quantensensorik verwendet werden:
Gerade in der Quantenoptik, der ultraschnellen Spektroskopie und bei QKD-Anwendungen steigen aktuell die Anforderungen an Messungen in der Time Domain. Hier die Wichtigsten dieser Anforderungen:
Hohe zeitliche Auflösung: Die Quantensensorik erfordert eine hohe zeitliche Auflösung, um Ereignisse, die auf kurzen Zeitskalen auftreten, genau zu erfassen und zu unterscheiden. TDCs und ADCs müssen eine schnelle Reaktionszeit haben, um der Dynamik des fraglichen Quantensystems zu entsprechen.
Geringes Rauschen: Quantensysteme sind sehr empfindlich gegenüber externen Rauschquellen. Daher sollten TDCs oder ADCs, die in Quantensensoranwendungen eingesetzt werden, ein minimales Eigenrauschen aufweisen, um die Messgenauigkeit nicht zu beeinträchtigen.
Empfindlichkeit nahe der Quantengrenze: Im Idealfall sollte der TDC oder ADC nahe an der Quantengrenze arbeiten, d. h. er sollte keine zusätzliche Unsicherheit über die von der Quantenmechanik auferlegten fundamentalen Grenzen hinaus einführen.
Quantenkompatibilität: In einigen Quantensensoraufbauten kann der TDC oder ADC direkt mit dem Quantensystem interagieren. Es ist wichtig, dass der Wandler mit dem gemessenen Quantenzustand kompatibel ist, um Störungen zu minimieren.
Fehlerkorrektur und Kalibrierung: Quantenmessungen sind anfällig für verschiedene Fehlerquellen. TDCs oder ADCs sollten neben den Kalibrierungsfeatures die Möglichkeit bieten, softwareseitig Fehlerkorrekturtechniken zu verwenden, um stets zuverlässige und präzise Messungen zu gewährleisten.
Schlussfolgerung:
Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Quantensensorik und die Integration von Quantentechnologien in neuartige Messverfahren basieren insbesondere auf einer hohen Auflösung im Zeitbereich. Sie ebnen damit den Weg für neue, hochsensible und hochpräzise Quantenmessungen. Um das Potenzial der Quantensensorik voll auszuschöpfen, müssen TDCs und ADCs daher strenge Anforderungen erfüllen, um genaue, rauscharme und quantenverträgliche Messungen zu ermöglichen.
Ein Ausblick auf zukünftig möglichen Gravitationskartierungen mit einer räumlichen Auflösung von 0,5 m. Die erwarteten Signalgrößen für eine Reihe von Anwendungen sind angegeben. Bildquelle, siehe unten.
Bildquellen:
idealisierter freistehender Quantenpunkt, von Alexander Kleinsorge, Bildrechte: public domain, das Bild wurde entnommen aus Wikimedia Commons und in WebP formatiert.
Blick auf ein Stickstoff-Leerstandszentrum: via Wikimedia Commons, Bildrechte: public domain, das Bild stammt aus Wikimedia Commons und in WebP formatiert.
photonenbasierte Detektoren: Mit freundlicher Genehmigung von Excelitas Technologies, das Bild wurde von dieser Website entnommen Produkt-Website und in WebP formatiert.
paarweises Tunneln von Elektronenpaaren in einem SQUID: mit freundlicher Genehmigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, da Bild wurde dem folgenden Artikel entnommen“Quanten-Magnetfeldsensoren" und in WebP formatiert.
Quanten-Hall-Effekt-Sensor: Mit freundlicher Genehmigung von Amer Ali vom Hersteller graphensisc, in WebP formatiert.
Future Gravity Mapping: Bildrechte: public domain, das Bild wurde Wikimedia Commons entnommen und in WebP formatiert, Ersteller ist Stray et al. 2022 Nature DOI: 10.1038/s41586-021-04315-3
Bemerkung:
Der Artikel über Anwendungen aus der Quantensensorik soll Besuchern unserer Website, die sich für solche Themen interessieren, einen kleinen Einblick in diesen Bereich geben. Wir selbst beschäftigen uns in erster Linie mit den Anforderungen unserer Kunden an die Datenerfassung und sind nicht in der Telekommunikationsbranche oder in der Glasfasertechnik tätig. Der folgende Inhalt ist daher nicht als wissenschaftliche Abhandlung zu verstehen, sondern spiegelt auch subjektive Eindrücke wider.