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Top-Innovationen 2020: Die Welt mit höchster Präzision vermessen

Quantensensoren können den Blick tief in die Erde ermöglichen oder Zeit zu einer präzisen Konstante machen. Und womöglich bald die Technologie der Zukunft bedeutend mitgestalten.
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Um Quantencomputer gibt es einen Hype. Vielleicht würden ihn Quantensensoren aber mehr verdienen. Sie versprechen Umwälzungen in verschiedenen Bereichen: autonome Fahrzeuge, die um Ecken sehen können, Unterwasser-Navigationssysteme, Frühwarnsysteme für vulkanische Aktivität und Erdbeben sowie tragbare Scanner, die die Hirnaktivität einer Person im Alltag überwachen. Mit ihrer extremen Präzision könnten Quantensensoren neue Technologien noch einmal auf ein neues Niveau heben.

Die Sensoren machen sich die Natur von Quanten zu Nutze: Sie arbeiten mit den geringen Unterschieden der Energiezustände von den Elektronen eines Atoms als Basisgröße. Ein anschauliches Beispiel liefern die Atomuhren, bei denen der Wechsel der so genannten Hyperfeinzustände als Taktgeber fungiert: Die Elektronen wechseln in einem Cäsium-133-Isotop 9 192 631 770-mal pro Sekunde zwischen zwei Energiezuständen und geben mit dieser Schwingung die standardisierte Weltzeit vor, auf die die anderen Uhren weltweit abgestimmt sind. Andere Quantensensoren nutzen atomare Übergänge, um kleinste Änderungen von Bewegungen und winzige Unterschiede in elektrischen, magnetischen Feldern oder Gravitationsfeldern zu erkennen.

Die spannendsten Technikinnovationen des Jahres 2020

Welche technischen Fortschritte haben das Potenzial, das Gesundheitswesen, ganze Industriezweige oder gar Gesellschaften in drei bis fünf Jahren zu revolutionieren? Die zehn besten aus 75 nominierten »Innovationen des Jahres 2020« hat ein Team aus Fachleuten gewählt, einberufen vom Weltwirtschaftsforum sowie vom US-Wissenschaftsmagazin »Scientific American«.

Wir stellen die Top-10 in den letzten zwei Wochen des Jahres vor:

Forscher und Forscherinnen an der britischen University of Birmingham arbeiten aktuell an einem etwas anderen Ansatz: Sie bringen tiefgekühlte Atome in einen freien Fall, um zu messen, wie stark die Gravitation ist. So lassen sich minimale Änderungen der lokalen Schwerkraft nachweisen. Diese Art von Quantengravimeter wäre in der Lage, in der Erde liegende Rohre, Kabel und andere Objekte aufzuspüren, die heute nur zuverlässig gefunden werden können, indem man gräbt. Schiffe auf See könnten eine ähnliche Technologie verwenden, um Unterwasserobjekte zu orten.

Die neue Sensorgeneration ist praktischer

Die meisten Quantensensorsysteme sind nach wie vor teuer, überdimensioniert und komplex. Eine neue Generation kleinerer, erschwinglicherer Sensoren dürfte die Türen für neue Anwendungen öffnen. Schon 2019 hatte ein Forscherteam am US-amerikanischen Massachusetts Institute of Technology einen Quantensensor auf Diamantbasis auf einem Siliziumchip aufgebaut. Sie schafften es dabei, mehrere normalerweise eher sperrige Komponenten auf einem wenige zehntel Millimeter breiten Quadrat unterzubringen.

Der Prototyp ist ein Schritt hin zu kostengünstigen, in Massen produzierbaren Quantensensoren. Diese können bei Raumtemperatur arbeiten und sich für jede Anwendung einsetzen lassen, bei der es um feine Messungen von schwachen Magnetfeldern geht.

Quantensysteme sind allerdings weiterhin sehr anfällig für Störungen. Das könnte ihre Anwendung deutlich beschränken auf Umgebungen und Umstände, die besonders störungsarm, also kontrolliert sind. Dennoch stellen Regierungen und private Investoren viel Geld dafür zur Verfügung. Oft für Herausforderungen, die viel kosten und dazu extrem aufwändig und komplex sind. Großbritannien etwa hat 315 Millionen Pfund in die zweite Phase seines Nationalen Quantencomputerprogramms (2019-2024) gesteckt.

Branchenanalysten gehen davon aus, dass Quantensensoren in den nächsten drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen könnten. Zunächst dürfte ihr Schwerpunkt dabei auf Anwendungen in der Medizin und der Verteidigung liegen.

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