Quanten-Sensoren nutzen die besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik wie Superposition, Verschränkung und Quantenzustands-Squeezing, um extrem empfindliche Messinstrumente zu bauen. Mit
M it ihnen lassen sich magnetische Felder, Gravitation, Zeit und andere physikalische Größen mit einer Genauigkeit erfassen, die klassische Sensoren nicht erreichen.
Atomuhren und Gravimetrie
Atomare Uhren sind die genauesten Zeitmesser, die es gibt: Sie verwenden den Energieübergang von Elektronen in Atomen (z. B. Cäsium oder Ytterbium) als Taktgeber. Quantenmechanische Methoden wie optisches Lasing und Laserkühlung reduzieren thermische Störungen und ermöglichen Uhren, die nur um eine Sekunde in Milliarden Jahren abweichen. Solche Uhren bilden die Grundlage für GPS und könnten künftig Gravitationsanomalien im Erdinneren messen (Atominterferometrie).
Magnetometrie und medizinische Bildgebung
Quantenmagnetometer basieren auf Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant oder auf supraleitenden SQUIDs. Sie können winzige Magnetfelder erfassen, wie sie durch neuronale Ströme im Gehirn entstehen. Dadurch sind hochauflösende magnetoenzephalografische Bilder möglich. Auch in der Materialwissenschaft erlauben diese Sensoren das Abbilden nanoskaliger magnetischer Strukturen.
Gravitationswellen und Dunkle Materie
Laserinterferometrische Detektoren wie LIGO und VIRGO haben bereits Gravitationswellen nachgewiesen. Zukünftig könnten Quanten-Sensoren mit gequetschtem Licht (squeezed light) die Empfindlichkeit weiter erhöhen. Andere Experimente nutzen BECs (Bose-Einstein-Kondensate) oder kalte Atome als Gravitationssensoren, um nach Dunkler Materie oder neuen physikalischen Effekten zu suchen.
Ausblick
Quanten-Sensorik ist eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete der Quanten-technologien. Durch verbesserte Materialforschung und Quantenkontrolle dürften die Sensoren künftig noch kompakter, stabiler und erschwinglicher werden. Sie werden nicht nur die Grundlagenforschung voranbringen, sondern auch die Navigation, Geologie, Medizin und viele andere Bereiche revolutionieren.