Die weltweite Nachfrage nach hochpräzisen Messungen in kritischen Anwendungen wächst rasant. Quantum Sensing (Quantenmesstechnik) wird zunehmend als Lösung betrachtet, da es ein Maß an Empfindlichkeit bietet, das mit klassischen Messmethoden nicht erreichbar ist. Der Markt für Quantum Sensing könnte bis 2030 einen Wert von einer Milliarde Dollar erreichen, bei einer jährlichen Wachstumsrate von 10-15 %. Laut McKinsey wird diese Technologie bis 2040 die Industrien, die auf Sensortechnologien angewiesen sind, grundlegend verändern und jene revolutionieren, die auf präzise Messungen angewiesen sind. Sie könnte sogar genutzt werden, um Künstliche Intelligenz (KI)-Algorithmen zu trainieren.
- Was sind Quantentechnologien und Quantum Sensing?
- Datenvisualisierung und Diagnostik
- Navigation
- Mikroelektronik
- Was bringt die Zukunft?
Was sind Quantentechnologien und Quantum Sensing?
Quantentechnologien repräsentieren eine neue Ära in Wissenschaft und Technik, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um neue Fähigkeiten und Lösungen zu erschließen. Die Quantenmechanik untersucht das Verhalten sehr kleiner Teilchen (wie Atome und Photonen), bei denen die Gesetze der klassischen Physik nicht mehr gelten. Einfach ausgedrückt, machen sich Quantentechnologien das ungewöhnliche, aber hochpräzise Verhalten subatomarer Teilchen zunutze, um eine bisher unerreichte Genauigkeit zu erzielen. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten in Bereichen von der Medizin bis hin zu Finanzdienstleistungen.
Dank der Quantenmechanik verfügen wir heute über verlässlichere Navigationssysteme, genauere medizinische Bildgebung, sicherere Kommunikationssysteme und – was besonders wichtig ist – leistungsfähigere Rechenkapazitäten. Die Entwicklung neuer Geräte und Systeme wird durch Quantentechnologien ermöglicht, wobei die wichtigsten Anwendungsgebiete folgende sind:
- Quantencomputing
- Quantenkommunikation
- Quantum Sensing
Während Quantencomputing oft im Rampenlicht steht, gilt Quantum Sensing als das reifste Feld. Es hat ein enormes Potenzial in verschiedenen Branchen und ist eng mit Quantencomputing verknüpft, da die leistungsstarken Prozessoren der Quantencomputer die Datenverarbeitung von Sensoren beschleunigen können. Diese Sensoren sind die zentralen Komponenten des Quantum Sensing und bieten eine extrem hohe Empfindlichkeit und Präzision.
Im Folgenden beleuchten wir vier kommerzielle Anwendungen dieser Technologie, die vielversprechende Lösungen für aktuelle Marktanforderungen bieten.
Datenvisualisierung und Diagnostik
Quantum-Sensoren haben großes Potenzial, um den genauen Standort von magnetischen Signalen im menschlichen Körper zu identifizieren. Derzeit werden herkömmliche Diagnoseverfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet, die jedoch Einschränkungen haben und sperrige, empfindliche Geräte erfordern. Laut McKinsey könnte bereits 2030 eine Alternative entstehen, mit Sensoren für neue Systeme, die bald in größerem Maßstab produziert werden.
Navigation
Quantum-Sensoren, darunter Magnetometer auf Basis neutraler Atome oder Diamanten, werden neue Möglichkeiten für Navigationssysteme in verschiedenen Transportbereichen eröffnen. Diese Systeme würden nicht mehr auf GPS-Signale angewiesen sein, die in abgeschirmten Umgebungen, unter Wasser oder unter der Erde unzuverlässig sind. Darüber hinaus benötigen Quantum-Sensoren keine regelmäßige Kalibrierung und sind 10-20 Mal empfindlicher, was zu weitaus genaueren Messungen führt. Studien zeigen, dass diese Sensoren in den nächsten Jahren für den kommerziellen Einsatz bereit sein könnten.
Mikroelektronik
Quantum-Sensoren können Defekte in der Mikroelektronik effizienter erkennen und Betriebsbedingungen genauer bestimmen. Ihr Einsatz könnte bald zum Standardverfahren bei der Entwicklung der nächsten Generation von dreidimensionalen integrierten Schaltkreisen werden. Die ersten dieser Sensoren sind bereits verfügbar und werden in experimentellen Projekten eingesetzt. Man geht davon aus, dass sie die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Produktionsprozessen in der Chipfertigung verbessern werden, was für zukünftige Geräte, einschließlich KI- und Datenverarbeitungssystemen, entscheidend ist.
Unterirdische Messungen
Verlässliche und präzise unterirdische Messungen stellen eine weitere vielversprechende kommerzielle Anwendung von Quantum-Sensoren dar. Diese Sensoren liefern besonders in anspruchsvollen Umgebungen genauere Ergebnisse. Sie können auch Störungszonen aufspüren, Mineralvorkommen lokalisieren und Wasserquellen identifizieren. Ein weiterer Vorteil von Quantum-Sensoren bei diesen Aufgaben ist ihre kompakte Größe sowie die Fähigkeit, magnetische und Gravitationsfelder genau zu identifizieren, ohne von äußeren Störsignalen beeinflusst zu werden. Diese Fähigkeit verbessert die Auflösung von Karten, die von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) erstellt werden, um das Zehnfache.
Was bringt die Zukunft?
Das Potenzial von Quantum-Sensoren geht weit über die oben beschriebenen Anwendungsfälle hinaus. Neue Erkenntnisse, die durch Quantum-Sensoren gewonnen werden, eröffnen zahlreiche zusätzliche Möglichkeiten. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, sind bereits spezielle Geräte und KI-Algorithmen für die Datenanalyse in der Entwicklung.
Quantum-Sensoren und Cloud-Technologien werden voraussichtlich eine perfekte Kombination für Branchen darstellen, die auf die Verarbeitung großer Datenmengen angewiesen sind und eine sichere Umgebung für Berechnungen benötigen. Mit der Weiterentwicklung der Quantum Sensing-Technologie wächst auch das Interesse an Cloud-Plattformen, die in der Lage sind, Echtzeit-Datenanalysen durchzuführen.