Quantensensor
Sensor, der Eigenschaften der Quantenmechanik nutzt
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Ein Quantensensor ist ein Sensor, der Eigenschaften der Quantenmechanik wie Quantenverschränkung, Quanteninterferenz und Quantenzustandsverkleinerung (engl. Quantum State Squeezing) nutzt, um die Leistung von klassischen Verfahren bei der Messung physikalischer Größen zu übertreffen.[1]
Das Forschungsgebiet der Quantensensorik befasst sich mit der Entwicklung von Quantenquellen (z. B. Quellen für verschränkte Quanten) und Quantenmessungen, um damit neue Anwendungen zu erschließen.
Forschung
In der Photonik und Quantenoptik nutzt die photonische Quantensensorik die Verschränkung, einzelne Photonen und verschränkter Zustände, um äußerst präzise Messungen durchzuführen.
Die optische Sensorik nutzt kontinuierlich veränderliche Quantensysteme wie verschiedene Freiheitsgrade des elektromagnetischen Feldes (z. B. Polarisation), Schwingungsmoden von Festkörpern und Bose-Einstein-Kondensate.
Anwendungen
Quantensensoren werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, u. a. in der Mikroskopie, in Positionierungssystemen, in der Kommunikationstechnologie, in Sensoren für elektrische und magnetische Felder, sowie in geophysikalischen Forschungsbereichen wie der Mineraliensuche und der Seismologie. Viele Messgeräte nutzen Quanteneigenschaften, um Messungen durchzuführen, z. B. Atomuhren, supraleitende Quanteninterferenzgeräte und die Kernspinresonanzspektroskopie.[2]
Eine wichtige Anwendung der Quantensensorik ist das Quanten-Gravimeter (engl. Quantum Gravimeter). Dabei wird in einer magnetisch abgeschirmten Hochvakuumkammer nahe am absoluten Nullpunkt der Temperatur (etwa 1 μK) eine Testmasse aus 106 bis 107 Rubidium-Atomen fallen gelassen und die Abwärtsbewegung mit Hilfe eines Laser-Strahls mit einer ultrahohen Auflösung gemessen. Aus den Messwerten kann die lokale Erdbeschleunigung hoch präzise (bis auf 10−9g) ermittelt werden (s. Gravimetrie).[3]
In Zeiten, in denen Satellitennavigation in Krisengebieten durch elektromagnetische Signale gestört (Jamming) oder verfälscht (Spoofing) werden, ist die Entwicklung von Quantennavigationssystemen vielversprechend.[4][5][6] Die dafür geeigneten Quantenbasierten Sensoren können Beschleunigungen und Drehraten wesentlich präziser messen, als klassische Trägheitsnavigationssysteme. Auf diese Weise soll selbst nach stundenlangem Betrieb ohne externe Messdaten (z. B. von einem GPS-Empfänger) eine Positionsbestimmung möglich werden, die nicht unter zeitlich anwachsenden Drift-Fehlern leidet, wie herkömmliche Trägheitsnavigationssysteme.[7]
Eine weitere Klasse von Quantensensoren nutzt verschiedene Typen von Atominterferometern. Ein Atominterferometer ein Präzisionsmessgerät, das die Interferenz von Materiewellen nutzt, um genaue Messungen von Beschleunigung, Rotation oder Charakteristika von Gravitationsfeldern durchzuführen. Mit Atominterferometern lassen sich auch fundamentale physikalische Konstanten wie die Gravitationskonstante mit hoher Genauigkeit bestimmen. Durch die hochpräzise Messung der Gravitation lassen sich auch Phänomene wie Gravitationswellen untersuchen.[8]
Weblinks
- Quantensensorik-Projekte der Fraunhofer-Gesellschaft
- Forschung zu Quantensensoren an der Universität Stuttgart
- Institut für Quantentechnologien des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt in Ulm
- Arbeitsgruppe Quantentechnologie an der Universität Rostock
- Innovationscluster Quantentechnologie an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt
- Munich Center for Quantum Science and Technology der Technischen Universität München
- Quanten-Gravimetrie am Geoforschungszentrum Potsdam
- Quanten-Flug-Gravimeter des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt