Mit dem Start der Projekte RaQuEl und QUASENS ist die Fördermaßnahme „Anwendungsbezogene Forschung in der Quantensensorik, -metrologie sowie -bildgebung“ komplett. Die sieben darin geförderten Projekte wollen Quantenmesstechnik in konkrete Anwendungsfelder jenseits der akademischen Forschung zu überführen.

Klassische Sensoren und Messtechniken werden zwar kontinuierlich besser, ihre maximal erreichbaren Empfindlichkeiten sind jedoch in der Regel limitiert. Technologien auf Quantenbasis können dagegen extrem schwache Signale erfassen. Die unterschiedlichen Quantensysteme weisen spezifische Stärken auf, um physikalische Größen wie beispielsweise Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Gravitation oder elektrische und magnetische Felder mit extrem hoher Genauigkeit zu messen. Bereits heute kommen hochgenaue Atomuhren, die auf Quanteneffekten beruhen, im Global Positioning System (GPS) zum Einsatz. Bildgebende Verfahren in der Medizin nutzen supraleitende Quanteninterferometer (SQUID), um Hirnaktivitäten zu messen. 

Dank Quantensensorik erscheint es zukünftig möglich, Bodenschätze leichter aufzufinden, präziser zu navigieren oder einzelne biologische Moleküle schonend nachzuweisen. Die meisten Ansätze der Quantensensorik wurden bisher jedoch nur im Labor gezeigt. Für eine tatsächliche Feldtauglichkeit stellen Rahmenbedingungen wie extrem tiefe Temperaturen, hochgenaue Positionierung oder teilweise enorm große Aufbauten noch eine große Hürde dar. Um letztlich tatsächlich genutzt zu werden, müssen die Quantenmesssysteme zudem wirtschaftlich konkurrenzfähig sein. Um in diesem Bereich weitere Fortschritte zu machen und Quantensensorik aus dem Labor in konkrete Anwendungen zu bringen, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projekte im Rahmen der Förderinitiative „Anwendungsbezogene Forschung in der Quantensensorik, -metrologie sowie -bildgebung“. Nun sind alle Projekte dieser Maßnahme gestartet. 

Die Projekte der Fördermaßnahme 

Im Projekt OPTEM erforschen das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT), die Sekels GmbH und die supracon AG das innovative Konzept eines vektoriell optisch gepumpten Magnetometers (OPM) in Erdmagnetfeldumgebung. Das Prinzip soll als neues Werkzeug dienen für die Exploration tiefer Rohstoffquellen wie Mineralien, Erdöl und Gas sowie geothermischer Potenziale. 

Das Projekt QUARATE erforscht ein Verfahren, das unter Verwendung von Quantenmikrowellen die Informationsgewinnung in der Radartechnologie verbessert. Der Quantenvorteil soll hier zum einen zur Reichweitensteigerung beitragen und zum anderen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SRV) verbessern. Projektpartner sind das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Walther-Meissner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, die Technische Universität München und die Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. 

Ziel des Projekts MikQSens ist die Entwicklung von Diamant-basierten Quantensensoren und ihre Anwendung in Mikroreaktoren. In den Mikroreaktoren sollen die Quantensensoren mit hoher Zeit- und Ortsauflösung eine simultane Messung der Prozessparameter Druck und Temperatur sowie eine neuartige Inline-NMR-Analytik zur Konzentrationsbestimmung von Reaktionspartnern in kleinsten Volumina ermöglichen. Beteiligt sind die Justus-Liebig-Universität Gießen, die Universität Ulm, die Hübner GmbH & Co. KG, die MMT GmbH sowie die EHRFELD Mikrotechnik GmbH als assoziierter Partner. 

Quamapolis ist ein Projekt der Robert Bosch GmbH, der Universitäten Stuttgart und Ulm, der Q.ant GmbH und der Würth Elektronik GmbH & Co. KG. Als assoziierte Partner sind außerdem die Daimler AG und die Bosch Sensortec GmbH beteiligt. Die Verbundpartner entwickeln ein kompaktes Vektor-Magnetometer, das die Position und Lage von Objekten in Bezug auf ein gegebenes Referenzsystem höchstpräzise misst. Dies ist essenziell für die Automatisierung von Abläufen beispielsweise im Kontext von Industrie 4.0, Smart Home und Robotik. 

Die Humboldt-Universität zu Berlin entwickelt zusammen mit acht weiteren Projektpartnern im Projekt QUIN ein Demonstratorsystem zur 3D-Quanten-Bildgebung. Dazu werden Messinformationen durch den Einsatz verschränkter Photonen vom mittleren Infrarot (MIR) auf gut detektierbare Photonen im Nahinfrarotbereich (NIR) übertragen. So wird der teure und aufwendige Einsatz von MIR-Detektoren umgangen und ein System für die 3D-Bildgebung mittels optischer Kohärenztomographie im MIR aufgebaut. 

Im Projekt QUASENS entwickeln die Menlo Systems GmbH und sieben weitere Partner eine hochkompakte optische Uhr basierend auf Atominterferometrie an einem thermischen Strontium-Atomstrahl. Dieser Ansatz verbessert die Uhrenstabilität im Vergleich zu Radiofrequenz-Uhren, ist jedoch deutlich weniger komplex als optische Gitter- und lonenuhren. 

Elmos Semiconductor SE, die Turck duotec GmbH, die Quantum Technologies UG, die Fachhochschule Münster und die Universität Leipzig entwickeln im Projekt RaQuEl Stromsensoren auf Basis quantenphysikalischer Effekte. Sie sollen die Genauigkeit heutiger Sensoren bei weitem übertreffen, dabei aber weniger Strom verbrauchen und weniger komplex im Einbau sein. Die Sensoren werden primär für den Einsatz in Elektroautos entwickelt, sollen perspektivisch aber auch für andere industrielle Anwendungen einsetzbar sein.