Quantensensorik

siehe auch: Quantenmetrologie

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.

The figure shows an idealized (pyramid-shaped) free-standing quantum dot of InAs/GaAs with a wetting layer. creator: Alexander Kleinsorge, image rights: public domain
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.
Das bild zeit einen Ausblick auf zukünftig möglichen Gravitationskartierungen, Quelle: Stray et al. 2022 Nature DOI: 10.1038/s41586-021-04315-3
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.
  • Einzelatomfalle: mit freundlicher Genehmigung von Dr. David Nadlinger, Universität Oxford, entnommen aus dem Artikel “Wissenschaftler stellen Atomen mit Einzelpartikel-Präzision Fallen" und in WebP formatiert.
  • kompakte lineare Ionenfalle: Mit freundlicher Genehmigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, das Bild wurde dem Artikel “Ionenfallen für Quantensimulationen, Quantencomputer und Messtechnik entnommen 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.
  • Nanowire-Arrays in Verbindung mit Graphen: Bildrechte: public domain, das Bild stammt aus Wikimedia Commons und dem Artikel “Photostrom in Bismutkontakten mit Graphen", es wurde 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.
  • quantenbasierter Initalsensor: aus Wikimedia Commons, Quantum Accelerometer Triad — QuAT © iXatom/Exail/LP2NS. Templier und andere, Science Advances (2022)/DOI: 10.1126/sciadv.add3854, 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

Autor: Uwe Thomaschky