QSens

Quantensensorik der Zukunft

Knapp 100 Jahre nach ihrer Formulierung steht die Quantenphysik kurz vor dem Sprung in den gesellschaftlichen Alltag. In der Region Württemberg sollen im Zukunftscluster-Finalist QSens Quantensensoren erforscht und in enger Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie in den Markt überführt werden.

Quantensensoren aus dem Labor in die Praxis überführen
QSens plant, Quantensensoren aus dem Labor in die Praxis zu überführen. Quelle: © Ingmar Jakobi/Universität Stuttgart

Was macht den Zukunftscluster-Finalisten aus?

QSens widmet sich der Entwicklung von Quantensensoren, eine neuartige Technologie im Bereich Messtechnik und Sensorik, die über eine Empfindlichkeit am Rande des theoretisch Möglichen verfügt. Diese neue Art von Sensoren können zum Beispiel in der Medizintechnik, der autonomen Navigation und in den erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Die Quantensensorik steht noch am Anfang. Vielversprechende Prototypen wurden in ersten erfolgreichen Machbarkeitsstudien getestet, und genau an dieser Stelle setzt QSens an: Ausgehend von den Ergebnissen der Grundlagenforschung bearbeitet der Zukunftscluster-Finalist das Feld interdisziplinär mit Partnern aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Industrie.

Welche Vorteile bringt der Ansatz für den Innovationsstandort Deutschland?

Im breiten Gebiet der Quantentechnologien verspricht die Quantensensorik, erste industrierelevante Anwendungen hervorzubringen. Neben der Forschung an Quantensensoren und verwandten Quantentechnologien steht bei QSens im Mittelpunkt, ein regionales Ökosystem für die zukünftige industrielle Fertigung von Quantensensoren zu erschaffen und damit das Themenfeld frühzeitig für Deutschland zu besetzen.

Warum „Zukunftscluster-Finalist“?

In der 1. Wettbewerbsrunde wurden 16 Zukunftscluster-Finalisten ausgewählt, die in der Konzeptionsphase eine Clusterstrategie entwickeln sollen. Ende Januar 2021 wird eine unabhängige Jury dem BMBF bis zu sieben Finalisten zur weiteren Förderung empfehlen. Diese ausgewählten Finalisten dürfen dann den Titel „Zukunftscluster“ tragen.

Weitere Hintergrundinformationen zu QSens

Mit den folgenden Texten stellt sich Ihnen der Zukunftscluster-Finalist QSens vor.

Quantentechnologien versprechen, zahlreiche Anwendungsfelder zu revolutionieren, von der Medizin- über die Kommunikationstechnik bis hin zur künstlichen Intelligenz und autonomen technischen Systemen. Führende Industrieunternehmen attestieren ihnen das Potential zur Schlüsseltechnologie der kommenden Jahrzehnte. Jedoch befinden sich die meisten technischen Ansätze noch im Frühstadium marktfähiger Lösungen. Innerhalb der Quantentechnologien zeichnet sich die Quantensensorik durch eine vergleichsweise kurze erwartete „Time-to-Market“ aus.

Um Durchbrüche in der Grundlagenforschung in die Wirtschaft zu transferieren, werden in QSens Forschende Hand in Hand mit Industrieunternehmen arbeiten, um die Leistungsfähigkeit von Quantensensoren in autonomen technischen Systemen nutzbar zu machen. Dies betrifft vorwiegend die Bereiche der Industrie 4.0, der Mobilität, der erneuerbaren Energien sowie das Feld der Medizingeräte der nächsten Generation.

Hierfür plant QSens ein Ökosystem zu schaffen, welches die hohe Einstiegshürde für die Nutzung der Quantentechnologien deutlich reduziert. Somit könnten Großunternehmen und der Mittelstand Zugang zu dieser zukunftsträchtigen Plattform erhalten. Durch die Nutzung von Quantentechnologien möchte QSens ein Sprungbrett für disruptive Technologien bieten und damit einen Beitrag zur Sicherung der Innovationskraft Deutschlands leisten.

Seit Jahren forschen Teams der Universitäten Stuttgart und Ulm am grundlegenden Verständnis und an der Nutzbarmachung der physikalischen Eigenschaften kohärent kontrollierter Quantensysteme. Ihr Ziel: innovative Sensoren mit bisher unerreichter Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung zu realisieren.

Als gemeinsame Basis für den Zukunftscluster-Finalisten dient den Ulmer und Stuttgarter Forschenden dabei das Zentrum IQST, im Rahmen dessen sie – gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart – nicht nur Anwendungen von Quantentechnologien demonstriert haben, sondern auch kontinuierlich ein breites Spektrum von physikalischen Grundlagen und Basistechnologien erforschen.

Die Forschungsteams des Zukunftscluster-Finalisten QSens haben dabei bereits zahlreiche Durchbrüche erzielt. Hierzu zählen die Charakterisierung von Speichermedien mit extrem hoher Dichte in Nanometerauflösung, die chemische Analyse einzelner Moleküle und die Erforschung von elektronischen Schaltungen im Nanometermaßstab, welche im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich sind.

Einige dieser Ergebnisse wurden bereits in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen aus der Wirtschaftsregion Württemberg erzielt. Zum Beispiel wird derzeit mit den Unternehmen Bosch und Zeiss die Entwicklung von Quanten-Magnetfeldsensoren auf Diamantbasis vorangetrieben, welche zuverlässig die Magnetfelder des menschlichen Gehirns messen sollen, um so in Zukunft etwa intelligente, direkt vom Gehirn des Patienten gesteuerte Prothesen zu ermöglichen.

Ein Hauptthema der Konzeptionsphase ist die Erstellung einer Applikations- und Technologie-Roadmap für die Quantensensorik. Gemeinsam mit Vertretern der Industriepartner wird somit der Grundstein dafür gelegt, dass innerhalb der geplanten Umsetzungsphasen verschiedene Quantensensor-Technologien den Sprung in den Markt schaffen. Hierfür werden die notwendigen Lieferketten festgelegt und die benötigten Enabling-Technologien identifiziert. Gemeinsam mit den Partnern aus der Wirtschaft werden konkrete QSens-Verbundprojekte konzipiert und eine klare Zeitschiene für die Markteinführung bestimmter Applikationen erarbeitet.

Das zweite wichtige Thema der Konzeptionsphase ist die Festlegung einer QSens-Verwaltungsstruktur, welche der heterogenen Zusammensetzung des Zukunftscluster-Finalisten mit universitären Partnern, Forschungsinstituten, kleinen und mittelständischen Unternehmen bis hin zu großen, international agierenden Industriekonzernen optimal Rechnung trägt.

Schließlich wird in der Konzeptionsphase das QSens-Disseminationskonzept finalisiert. Dieses beinhaltet die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften im Bereich der Quantentechnologien ebenso wie die Dissemination in die Gesellschaft.

Auf einen Blick
  • Projektlaufzeit: 01.05.2020 bis 31.10.2020
  • Zuwendung des Verbundes: 177.060,19 € (inkl. Projektpauschale)
  • Zuwendungsempfänger: Universität Stuttgart und Universität Ulm
  • Weitere Partner: IMS CHIPS Stuttgart; Hahn-Schickard Stuttgart; Carl Zeiss AG

Quantensensoren im Besonderen können durch ihre Spezifität und Genauigkeit entscheidende Beiträge zur Lösung zahlreicher gesellschaftsrelevanter Fragestellungen liefern. In vielen Fällen setzen die in zukünftige Technologien gesetzten Erwartungen – mit Auswirkungen von der Bio- und Medizintechnologie bis zu autonomen technischen Systemen – geradezu voraus, dass hochgenaue Sensoren entwickelt werden, die mit herkömmlichen Ansätzen nicht zu verwirklichen sind.

Sensoren sind heute integraler Bestandteil industrieller Prozesse sowie des täglichen Lebens, beispielsweise im ständig wachsenden „Internet of Everything“. Der Zukunftscluster-Finalist QSens adressiert aufgrund der Vielseitigkeit der Technologie zentrale gesellschaftliche Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie, Mobilität, Industrie 4.0 und Sicherheit.

Des Weiteren fördert der Finalist eine offene Innovations- und Wagniskultur sowie die Schaffung von Arbeitsplätzen in Deutschland. So beinhaltet das QSens-Disseminationskonzept neben Elementen der Ausbildung von neuen Quanteningenieurinnen und -ingenieuren auch Weiterbildungsangebote für Personen im Arbeitsmarkt sowie Maßnahmen für den Wissenstransfer in die Gesellschaft.