Quantensensor: Messen – so präzise wie noch nie

Der Schritt von der Wissenschaft zur Anwendung steht direkt bevor: Quantensensoren sollen kommerziell bald verfügbar werden. Für die Medizin bietet das spannende Möglichkeiten, wie der Blick auf die Aktivitäten in Clustern, Instituten und der Industrie zeigt.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Quantenphysik. Quantentheorie. Quantenmechanik. Da erscheint vor dem geistigen Auge quasi sofort das Foto des etwas langhaarigen älteren Herrn, der die Zunge rausstreckt und sich das leisten kann, schließlich gilt er als Genie. Alles, was mit „Quanten…“ anfängt, flößt den meisten Menschen erstmal Respekt ein und könnte zu dem Schluss führen, dass es viel mit Wissenschaft und komplexer Theorie, aber wenig mit der industriellen oder medizi‧nischen Wirklichkeit zu hat.

Medizintechnik ist bei Anwendungen von Quantensensoren vorn mit dabei

Aber: Irrtum! Denn was vielleicht abgehoben klingt, ist gerade dabei, sich von der Wissenschaft in Richtung Anwendung zu bewegen. Für die Ingenieure ist da noch ein bisschen was zu tun, sicher. Aber die ersten Start-ups haben schon Nischenprodukte am Markt, andere Unternehmen – wie Bosch – gründen Start-ups oder kündigen industrietaugliche Produkte an – wie Duotec oder Sick. Und wenn es um die möglichen Einsatzgebiete von Quantensensoren geht, ist die Medizin meist unter den ersten Nennungen vertreten. Ein guter Zeitpunkt also, sich mit Quantentechnologien und vor allem mit Quantensensorik genauer zu befassen.
Diese gilt derzeit als Zukunftsthema. Im Wettbewerb Clusters4Future, den das deutsche Bundesforschungsministerium (BMBF) ausgeschrieben hatte, war eine Forschergruppe aus Stuttgart und Ulm erfolgreich. Ihr Zukunftscluster Qsens ist eines von sieben, für die das BMBF Anfang 2021 Fördermittel zugesagt hat. Das Ziel von Qsens: hochleistungsfähige Quantensensoren zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen.

Mehr zu Qsens und Clusters4Future

Der Startschuss für den Wettbewerb „Clusters4Future“ – die mit Fördermitteln des BMBF unterstützt werden – fiel im Sommer 2019. Die Bewerber durchliefen mehrere Stufen, darunter eine geförderte Konzep‧tionsphase und die Bewertung durch eine Expertenjury. Am Ende blieben aus rund 150 Bewerbern sieben Cluster, die heute Deutschlands Innovationsnetzwerke der Zukunft sind. Die ersten starteten im Herbst 2021 mit der Umsetzung ihrer Konzepte.
Die Themen sind vielfältig: Neuromorphe Hardware für autonome Systeme ist ebenso vertreten wie personalisierte Zell- und Gentherapieverfahren. Weitere Konzepte befassen sich mit nachhaltiger Meeresforschung, neuen Ansätzen zur Medikamentenentwicklung und Wasserstoff und eben der Quantentechnologie. Die Arbeiten im Cluster Qsens konzentrieren sich neben der Gesundheit auf die Bereiche Mobilität, Informationstechnologie im Sinne des „Internet of things“ sowie Nachhaltigkeit.
Mehr zu den Zukunftsclustern und ihren Themen hat das BMBF im Internet zusammengestellt.
www.clusters4future.de/die-zukunftscluster

Quantensensoren für Medizin- und Biomedizintechnik

„Zwei von sechs anwendungsgetriebenen Projekten bewegen sich in der Medizin- und Biomedizintechnik“, sagt Clustersprecher Prof. Jens Anders vom Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) an der Universität Stuttgart. Dabei geht es zum Beispiel in Kooperation mit Ottobock um die Steuerung von Prothesen: Quantensensoren sollen eingesetzt werden, um zunächst Muskelsignale und später auch direkt Hirnströme anhand ihrer Magnetfelder zu erfassen und die gemessenen Werte in die richtigen Bewegungen umzusetzen. „Quantensensoren versprechen eine herausragende räumliche Auflösung und Empfindlichkeit bei gleichzeitig kompakten Bauformen“, sagt Bernhard Graimann, Vice President Global Research bei Ottobock in Duderstadt. Mensch-Maschine Schnittstellen, die auf diesen Sensoren basieren, „könnten einfacher in der Anwendung sowie intuitiver und leistungsfähiger sein als konventionelle myoelektrische Schnittstellen.“ Noch stünden die Arbeiten allerdings am Anfang, es gelte, viele technische Herausforderungen zu meistern. „Bis zu einem tatsächlichen Einsatz in einem Medizinprodukt kann es daher noch Jahre dauern.“

Aber es gibt auch noch weitere Ansatzpunkte Richtung Life Sciences bei Qsens: Hersteller von Biomolekülen wie Boehringer Ingelheim oder Rentschler wollen das bisher aufwendige Verfahren der Kernspinresonanz mit Quantensensoren kostengünstiger verfügbar machen. Damit lässt sich die chemische Zusammensetzung von Molekülen feststellen, was sowohl für das Screening interessanter Moleküle als auch für die Qualitätskontrolle anwendbar ist – nur eben bisher viel zu teuer für den Einsatz in der Breite.

Quantensensoren können MRT-Bildgebung verbessern

Auch etablierte Verfahren der Bildgebung wie die Magnetresonanztomographie lassen sich laut Prof. Anders mittels Quantensensoren verbessern. Um hochauflösende Bilder artefaktfrei aufnehmen zu können, sei es wichtig, örtlich aufgelöst genau zu wissen, wie stark das eingesetzte Magnetfeld ist. „Die neuartigen Sensoren könnten hierzu genauere Werte liefern und damit die Qualität der Bildgebung steigern“, so der Wissenschaftler.
Es gehe aber überhaupt nicht darum, alle bisherigen Sensoren durch Quantensensoren zu ersetzen. Technisch sei das zwar möglich, wirtschaftlich aber nicht sinnvoll. „Die Quantensensoren spielen ihre Vorteile – geringe Größe, hohe Präzision und sehr niedrige Detektionsschwellen – vor allem in Anwendungen aus, in denen man mit herkömmlichen Sensoren an Grenzen stößt.“
Wer Quantensensoren nutzt, bewegt sich in der Nähe des physikalisch überhaupt Machbaren. Wie das funktioniert? Die Sensoren nutzen die Gesetze der Quantenmechanik. Es gibt unterschied‧liche Typen von Sensoren – einer davon sind Quantensensoren, die auf Farbzentrendefekten in Festkörpern basieren. Wissenschaftlich formuliert hängt deren Arbeitsweise davon ab, dass sich Energieniveaus dieser Farbzentrendefekte aufgrund der Wechselwirkung mit der Messgröße verschieben.

Quantentechnologie ganz kurz, auch für Nicht-Physiker

Um das auch für Nicht-Physiker zu erklären, haben Forscher Videos im Internet bereitgestellt. Zusammengefasst könnte man also sagen: Für einen festkörperbasierten Quantensensor werden gezielt Fremdatome in das Kristallgitter eingebracht. Diese so genannten Dotierungen weisen in der Regel einen Netto(elektronen)spin auf – sie verhalten sich quasi wie kleine Stabmagnete. Legt man ein äußeres Magnetfeld an, richten sich die einzelnen Stabmagnete (oder eben Spins) entlang des Magnetfelds aus. Das beeinflusst insgesamt die Energie des Sensors. Weil die gezielt erzeugten Defekte im Kristallgitter eine besondere Struktur haben, lässt sich die Veränderung der Energie optisch mit sehr hoher Empfindlichkeit auslesen.
Die winzige Größe und die Präzision so eines Sensors ergibt sich daraus, dass der Elektronenspin sehr empfindlich auf kleinste Änderungen reagiert. Da in dieser Größenordnung normalerweise ohnehin ziemlich viel (thermische) Bewegung herrscht, muss man, um etwas zu messen, das Gewimmel möglichst unterbinden. Das gelingt, in dem man ein messendes System – das zum Beispiel auf der Basis von Silizium arbeitet – so weit herunterkühlt, bis fast alles erstarrt. Zu diesem Typ Quantensensoren der so genannten ersten Generation rechnet man „Squids“. Dieser Begriff steht für Superconducting Quantum Interference Device oder auch Supraleitende Quanteninterferenzeinheit. Für deren Einsatz sind Temperaturen von wenigen Kelvin erforderlich – was die Messung nicht gerade vereinfacht.

Quantensensorenmit verschiedenen Materialien als Basis

Zu den Quantensensoren der zweiten Generation zählen Festkörper-Quantensensoren, die zum Beispiel auf Basis von Diamant hergestellt werden und Stickstofffehlstellen aufweisen. In solchen Sensoren lässt sich das thermische Chaos durch Einstrahlen eines Lasers bestimmter Wellenlänge quasi „austricksen“. Der Laser bringt (fast) alle Spins in den ‧gleichen Zustand – so dass auch Messungen bei Zimmertemperatur möglich werden.
Auch die Forschenden im Cluster Qsens verwenden in der ersten Förderphase Diamant mit definierten Defekten und wollen diese Technologie zur Serienreife bringen. Später sollen weitere Quantenplattformen hinzukommen – zum Beispiel auf Basis von Siliziumkarbid.
Weil sich die Entwicklungsaufgaben bei der Kommerzialisierung der Sensoren kaum von einzelnen Partnern stemmen ließen, umfasst Qsens ein „Innovationsökosystem“, das die Lieferkette abdeckt. Die Universitäten Stuttgart und Ulm beispielsweise arbeiten seit vielen Jahren über das gemeinsame, interdisziplinäre Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaften und Technologie (IQST) mit industriellen Partnern wie Bosch, Zeiss, Trumpf und Bruker zusammen. Auch weitere Kooperationen bestehen.

Was ist eigentlich Quantensensorik?

Darüber, was genau die Bezeichnung „Quantensensoren“ verdient, lässt sich in der Wissenschaft noch streiten. Für Anwendungen in der industriellen Praxis mag die Definition ausreichen, der zufolge Quantensensoren mit quantenmechanischen Systemen arbeiten. Diese wurden vor allen Dingen in den vergangenen rund 40 Jahren stark weiterentwickelt.
Schon bevor es den Begriff gab, ‧begann die Menschheit aber mit den Atomuhren schon eine erste Form von Quantentechnologien zu nutzen. Atomuhren bekommen ihren Takt durch das Messen von Atomschwingungen, die extrem empfindlich auf Schwankungen der Umgebungstemperatur oder des Magnetfeldes reagieren. Wer also eine präzise Atomuhr bauen will, muss diese Einflüsse abschirmen. Wer einen Quantensensor bauen will, kehrt die Logik um: Er nutzt die Empfindlichkeit des Systems, um zum Beispiel winzige Schwankungen im Magnetfeld zu messen.
Die Entwicklung der Quantensensoren schreitet voran. Während die erste Generation noch mit aufwendig auf wenige Kelvin gekühlten Systemen arbeitete, wird die zweite Generation für den Einsatz bei Raumtemperatur vorbereitet. Das gelingt bereits, auch mit verschiedenen Sensortechnologien, die unterschiedliche Eigenschaften haben. So erreichen festkörperbasierte Quantensensoren eine besonders hohe räumliche Auflösung. Systeme mit Atomdampf haben bei der Empfindlichkeit die Nase vorn.

Neurologie: Quantensensoren statt Pieks in den Muskel

Aber die erstaunlichste Technik wird erst dann richtig interessant, wenn sie für die Menschen nützlich ist. Das zeigt sich, auch außerhalb von Qsens, mit Beispielen aus dem Gesundheitsbereich. Quantensensoren sollen zum Bespiel die Muskeldiagnostik revolutionieren und die bisherige Standardmethode, eine Nadelelektromyographie (EMG), ersetzen können. Dazu führt der Neurologe eine Nadelelektrode durch die Haut in den Muskel ein, um dessen elektrische Signale zu messen. So eine Untersuchung ist erforderlich, wenn Muskelschwäche, Lähmungen, Krämpfe, Zuckungen oder Schmerzen vorliegen. Die Prozedur ist schmerzhaft und kommt bei Kindern an Grenzen.

Ein internationales Forschungsteam um Dr. Justus Marquetand vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und dem Universitätsklinikum Tübingen hat aber gezeigt, dass sich potenziell krankhafte Muskelsignale auch mit Quantensensoren untersuchen lassen. Vorteil: Die Messung ist kontaktlos und schmerzfrei. Eine Studie an fünf Patienten ist in der medizinischen Zeitschrift Clinical Neurophysiology erschienen. Studienleiter Marquetand ist zuversichtlich, dass solche Messungen „künftig in der Lage sein werden, weitere pathologische Muskelsignale zu detektieren und damit das schmerz‧hafte Nadel-EMG teilweise ersetzen können“.

Elektrische Aktivität der Muskeln bietet die Grundlage für Diagnostik

Grundlage für die Diagnostik mittels Quantensensoren ist das Magnetfeld, das durch die elektrische Aktivität in den Muskeln entsteht. Die magnetischen Signale dringen an die Körperoberfläche, wo sie ohne Hautkontakt gemessen werden können. Hierfür nutzten die Wissenschaftler einen Typ von Quantensensoren, der als optisch gepumpte Magnetometer, kurz OPM, oder auch Dampfzellenmagnetometer bezeichnet wird. Diese wurden an der Physikalisch-technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt.
Vereinfacht kann man die Funktionsweise folgendermaßen beschreiben: Mittels Spektroskopie lassen sich für Atome typische Spektrallinien nachweisen. Diese reagieren sehr empfindlich auf die Anwesenheit eines Magnetfeldes – das die Spektrallinien verschiebt. Für ein Dampfzellenmagnetometer oder auch OPM wird also die Zelle mit Atomdampf gebraucht sowie ein Laser plus Photodiode. „Dampfzellen können heute die Größe eines Reiskorns haben, der ganze Sensor passt auf eine Fläche von einem Quadratzentimeter“, sagt

Physiker, Elektronik-Experten und Ingenieure sind gefragt

Eine weitere Miniaturisierung der Sensoren steht noch aus, und auch für Herstellverfahren, die eine Massenproduk‧tion ermöglichen, ist noch einiges zu tun, so Reinhard. Und während bisher vor allem Physiker die Entwicklungen vorantrieben, werde dann Fachwissen von Ingenieuren gefragt sein. Experten aus den Bereichen Hochfrequenztechnik und Optoelektronik würden ihren Teil dazu beitragen, und die Integra‧tion der Systeme zu industriell verwendbaren Sensoren werde die klassisch ausgebildeten Ingenieure fordern.
Und auch Reinhard nennt für die OPM ein weiteres Einsatzfeld: die Magneto‧enzephalographie. Sie wird bisher genutzt, um bei Epilepsiepatienten besonders aktive Hirnareale ausfindig zu machen. So eine Untersuchung ist aufwendig, da sie mit den auf nahe 0 K heruntergekühlten Quantensensoren der ersten Generation – den Squids – ausgeführt wird. Mit OPM ließe sich der apparative Aufwand verringern, hoffen Fachleute.

Was Quantensensoren zu Gehirn-Computer-Schnittstellen beitragen

Doch auch damit ist die Liste von Anwendungen der Quantensensoren längst nicht vollständig. Dr. Thomas Middelmann, der an der PTB in Berlin die Arbeitsgruppe Optische Magnetometrie leitet und die OPM für die Muskeluntersuchungen in Tübingen mit entwickelt hat, ist an einem weiteren medizinischen Forschungsvorhaben beteiligt: Hier geht es um Gehirn-Computer Schnittstellen auf der Basis von Quantensensoren. Die Einstein-Stiftung Berlin unterstützt das transdisziplinäre Projekt, das von 2020 bis 2023 läuft und an der die Berliner Charité beteiligt ist. Durch die Schnittstelle, auch als Brain Computer Interface bezeichnet, sollen Kommunika‧tion und Bewegung von Patienten im klinischen Einsatz wieder hergestellt werden.
Wie gut das funktioniert, könnte sich beispielsweise bei Patienten zeigen, die einen schweren Schlaganfall erlitten haben. Das System soll es ermöglichen, komplexe Bewegungen eines Roboters zu steuern oder gesprochene Worte, die sich der Patient vorstellt, aus neuromagnetischer Hirnaktivität zu rekonstruieren. Solche Anwendungen erforderten bisher die Implantation von Elektroden ins Gehirn.
Und auch in Bayern wird zu Quantensensoren geforscht. Das Exzellenzcluster Munich Center for Quantum Science and Technology (kurz: MCQST) haben die TU München und die Ludwig-Maximilian-Universität gemeinsam beantragt, und Ende 2018 hat die DFG die Fördermittel für sieben Jahre bewilligt. 2019 ging das Zentrum an den Start und deckt von der Grundlagenforschung bis zu Anwendungen alle Bereiche ab. Von den sieben Forschungseinheiten im Cluster beschäftigt sich eine mit Messtechnik und Sensorik – und hat unter anderem das nicht-invasive Messen in biophysikalischen Systemen zum Ziel.

Und wie ist es mit der Kommerzialisierung der Quantensensoren bestellt?

Aber der Blick auf die Forschung beantwortet noch nicht die Frage nach der Kommerzialisierung. Erste Start-ups liefern heute schon Quantensensoren, wenn auch nicht in großen Stückzahlen. Die Stuttgarter Robert Bosch GmbH – einer der Industriepartner bei Qsens – hat Anfang des Jahres 2022 ein unternehmensinternes Start-up gegründet, das dem Bereich Bosch Automotive Electronics zugeordnet ist. Es soll mit bald 20 Mitarbeitern unter der Leitung der Physikerin Dr. Katrin Kobe die Quantensensoren kommerzialisieren. Die Rede ist von einem breiten praktischen Nutzen, von der Entwicklung CO2-neutraler Antriebe bis zur medizinischen Dia‧gnostik. Das Ziel für das Start-up ist, eine führende Rolle im Markt zu erreichen.

Schon Ende 2020 sind zwei weitere Konzerne ins Thema eingestiegen. Die Stuttgarter Q.Ant GmbH, eine einhundertprozentige Tochter der Trumpf SE + Co. KG aus Ditzingen, und der Schweizer Sensorik-Spezialist Sick AG aus Stans, haben angekündigt, gemeinsam quantenoptische Sensoren zu entwickeln. Die Turck Duotec GmbH wiederum beteiligt sich an Quantum Technologies UG aus Leipzig. „Unser Ziel ist es, einen etwa würfelzuckergroßen Sensor zu entwickeln, der sich praktisch überall einsetzen lässt“, sagt Duotec-CSO Philipp Mirliauntas. „Wir stehen am Beginn einer neuen Ära der Messtechnik.“

Eine eigene Messe für Quantentechnologien ensteht

Wer jetzt neugierig geworden ist und Ende April nach München fährt, um die Messe Laser zu besuchen, kann dort übrigens zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Denn ergänzend zur Laser – World of Photonics heben die Veranstalter die World of Quantum aus der Taufe, in der es um das „derzeit spannendste Zukunftsfeld der Photonik“ geht.

Interviews mit Prof. Anders und Dr. Katrin Kobe

Was sich mit Quantensensoren alles tun lässt, erläutert Prof. Anders im Interview.
Dr. Katrin Kobe berichtet, wie sich Bosch eine führende Rolle erarbeiten will und warum die Industrie nicht zwingend Quanteningenieure braucht

Weitere Informationen
Zukunftscluster Qsens (Prof. Jens Anders): http://hier.pro/jqlDv
QTZ Ulm: www.dlr.de/qt
Arbeitsgruppe Quantentechnologie an der Uni Rostock (Prof. Friedemann Reinhard): www.qt.physik.uni-rostock.de
Arbeitsgruppe Optische Magnetometrie an der PTB, Berlin (Dr. Thomas Middelmann): http://hier.pro/i5qHB
Exzellenzcluster der TU München, Munich Center for Quantum Science and Technology: www.mcqst.de
Zur Premiere der World of Quantum in München:  http://hier.pro/obcbS

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