Erfahren Sie, wie die Quantentechnologie die Zukunft gestaltet: Von revolutionärem Quantumsensing in der Elektromobilität bis hin zu neuen Perspektiven in der Datenverarbeitung und digitalen Sicherheit.

Die rasante Entwicklung in der Quantenphysik verändert unsere technologische Landschaft grundlegend. Dieser Artikel widmet sich den revolutionären Bereichen des Quantumsensings und Quantencomputings, illustriert durch die innovativen Projekte RaQuEl und OCQNV. Wir beleuchten, wie diese Technologien die Elektromobilität und Datenverarbeitung beeinflussen und gleichzeitig die digitale Sicherheitslandschaft neu gestalten.

Quantumsensing im RaQuEl-Projekt – Ein neues Kapitel in der Magnetfeldsensorik: Das RaQuEl-Projekt bringt in der Magnetfeldsensorik durch ein neues, rein-optisches Ausleseverfahren, basierend auf der Photolumineszenz von NV-Zentren in Diamanten, einen Durchbruch. Diese Methode, die magnetfeldabhängige Fluoreszenz nutzt und Mikrowellenstrahlung vermeidet, macht Sensoren günstiger und effizienter. Zudem ermöglicht die optische Ansteuerung den Einsatz eines fasergekoppelten, robusten Sensorkopfes aus nicht-magnetischen Materialien, der präzise Magnetfeldmessungen auch unter schwierigen Bedingungen ermöglicht.

Quantumsensing im Dienste der Elektromobilität: Das RaQuEl-Projekt entwickelt präzise, shunt-lose Stromsensoren für E-Fahrzeuge und steigert deren Effizienz/Sicherheit durch genaue Lade-/Alterungsstand-Messungen. Diese Sensoren, einsetzbar über verschiedene Spannungsbereiche, sind durch ihre galvanische Isolation vielseitig nutzbar. Unter Leitung von Elmos Semiconductor SE und in Zusammenarbeit mit Institutionen wie der FH Münster sowie Partnern wie duotec GmbH und Quantum Technologies GmbH, die bereits marktreife Produkte bieten, fördert RaQuEl die Anwendung von Quantentechnologien in der Elektromobilität. „Der weltweit erste Quantensensor-Chip, entwickelt für hohe Automobilstandards, entstand in diesem Projekt“, sagt Dr.-Ing. Bernd Burchard von Elmos.

Das OCQNV-Projekt: Brückenbau zwischen Quantencomputing und konventioneller Technologie: In Kooperation mit Prof. Dr. Markus Gregor (FH Münster) erforscht dieses Projekt Quantumsensing und die Verbindung von CMOS mit optischen Technologien. Alternativen zu Laseranregungen werden untersucht; ein LED-basierter Sensor bietet hohe Kosteneffizienz und niedrigen Verbrauch (0,1 W), was ihn vielseitig macht. Mit Sensitivitäten von 28 nT/√Hz und theoretisch 3 nT/√Hz verbessert er die Zugänglichkeit von Quantenmagnetometern. Das OCQNV-Projekt entwickelt Schlüsselschnittstellen zwischen Optik und CMOS, nutzt 3D-Druck (Nano Scribe) für optische Komponenten (Featuresize 100 nm), um die Integration in photonische Strukturen zu erleichtern.

Quantenzufallszahlengeneratoren: Ein Schlüssel zu digitaler Sicherheit: Ein weiterer, zukunftsweisender Forschungsbereich in unserem Labor, der sich nahtlos in die zuvor genannten Projekte einfügt, ist die Erforschung und Entwicklung von Quantenzufallszahlengeneratoren (QRNGs). Diese Technologie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik zur Erzeugung echter Zufallszahlen, die eine entscheidende Rolle in der IT-Sicherheit spielen. Im Vergleich zu herkömmlichen Pseudozufallszahlengeneratoren, die auf deterministischen Algorithmen basieren und somit potenziell vorhersagbare Zufallszahlen generieren, bieten QRNGs durch die Nutzung quantenmechanischer Effekte eine echte Zufälligkeit. Dies ist insbesondere für die Verschlüsselung und Sicherheit von Datenübertragungen von unschätzbarem Wert.

In mehreren Abschlussarbeiten, die in Kooperation mit der Elmos Semiconductor SE in unserem Labor angefertigt wurden, konnten wir demonstrieren, wie QRNGs zu einer sicheren Kommunikation beitragen können. Dabei wurde ein Konzept für einen monolithischen, sili-ziumbasierten QRNG entwickelt und ein entsprechender Demonstrator umgesetzt. Das entwickelte Konzept eröffnet die Möglichkeit der Integration von QRNGs in Application Specific Integrated Circuits (ASICs) für die Automobilindustrie und stellt somit einen weiteren Meilenstein unserer Forschungsarbeit dar. Eine Integration verspricht nicht nur eine Steigerung der Systemeffizienz und -sicherheit, sondern auch eine kosteneffiziente Implementierung, die die breite Anwendbarkeit beispielsweise in modernen Fahrzeugen ermöglicht.

Fazit: Die Realisierung einer visionären Zukunft durch Quantentechnologie. Die vorgestellten Durchbrüche in den Bereichen Quantumsensing, Quantencomputing und Quantenkryptographie sind nicht nur beeindruckende wissenschaftliche Errungenschaften; sie markieren den Auftakt zu einer Ära, in der Technologie unsere Welt auf bisher unvorstellbare Weise prägen wird. Die Projekte RaQuEl, OCQNV und die bahnbrechende Entwicklung von Quantenzufallszahlengeneratoren (QRNGs) illustrieren eindrücklich, wie die enge Zusammenarbeit zwischen akademischer Forschung und Industriepartnern innovative Lösungen hervorbringt, die sowohl die Effizienz und Sicherheit unserer Fahrzeuge als auch die Integrität unserer digitalen Infrastrukturen grundlegend verbessern.

Die hier vorgestellten Technologien haben das Potenzial, nicht nur die technische Landschaft zu revolutionieren, sondern auch gesellschaftliche Auswirkungen mit sich zu bringen – von der Erhöhung der Verkehrssicherheit durch zuverlässigere Sensoren in Elektrofahrzeugen bis hin zum Schutz unserer persönlichen Daten durch zukunftsfähige Verschlüsselungsmethoden.

Die Quantentechnologie stellt somit einen Schlüssel zu einer sichereren, effizienteren und vernetzten Welt dar. Ihre Anwendungsbereiche reichen weit über die heutigen Konzepte hinaus und öffnen Türen zu neuen Möglichkeiten. Die Erfolge in den Projekten RaQuEl und OCQNV zeigen, dass die Zukunft näher ist, als wir denken.

Danksagung: Die Projekte RaQuEl (FZK: 13N15498) und OCQNV (FZK: 13N15971) wurden durch das BMBF im Rahmen der Programme „Quantensensorik, -metrologie, -bildgebung“ und „Forschungsförderung an Hochschulen/Forschungseinrichtungen mit innovativen Laboren“ unterstützt.

FH Münster, Labor für Halbleiterbauelemente und Bussysteme

Technologische Basis

• Optisch basierte Quantensensorik und Quantencomputing-Infrastruktur
• Glasfaserbasierte Quantensensoren für extreme Umgebungsbedingungen
• Integration und Anwendung von QRNGs für echte Zufälligkeit

Innovation

• Shuntlose Strommessung mittels Quantentechnologie
• Einsatz in widrigen Umgebungen durch fortschrittliche Sensorik
• QRNG-basierte Innovationen für verbesserte Datensicherheit und Quantencomputing

Primäre Anwendungsfelder

• Industrielle Automation und Prozesskontrolle durch Quantensensorik
• Überwachung der Elektromobilität mit präzisen Stromsensoren
• Verbesserung der digitalen Sicherheit mittels QRNG in der Kryptographie

Impact

• Revolution in der Strommessung und Sicherheitsverbesserung durch QRNGs
• Erhöhung der Sicherheit und Effizienz in kritischen Anwendungen
• Beschleunigung des Fortschritts in Quantentechnologien und deren Anwendungen

https://www.fh-muenster.de/eti/labore_forschung/be/

Abbildung 1: Glasfaser im Einsatz: Kernstück der innovativen, optischen Messung für präzise und störungsresistente Erfassung in anspruchsvollen Umgebungen. © Ludwig Horsthemke, M.Sc., FH Münster
Abbildung 2: Innovationsmoment mit den Teams aus HLB (Prof. Glösekötter), QuTe (Prof. Gregor) und LEEE (Prof. Sanders), die unseren interdisziplinären Ansatz und das Engagement für die technologische Zukunft verkörpern. © Jana Bade, FH Münster
Abbildung 3: (a) Sensoraufbau mit LED-, MW- und PD-Platine, separiert durch eine 100 μm Filterfolie, Größe: 6,9 × 3,65 × 15,9 mm³. (b) Feldsimulation bei 10 dBm MW. (c) Schaltung: 9V für LED-Strom und MW-Demodulation im LIA, unterstützt durch TIA. © Jens Pogorzelski, M.Sc., FH Münster