Sick und Trumpf-Tochter Qant bauen gemeinsam Quantensensoren. Wie die Quantentechnologie den ersten Schritt aus den Laboren in die industrielle Fertigung macht
Julia DusoldProduktion Nr. 01 , 2021
Landsberg (sm). Was ist das Rezept für industriell nutzbare Quantentechnologie? Geht es um photonische Sensoren, gehören zu den Zutaten ein Laser-Experte, ein Sensor-Experte, Quantenphysik-Know-how und viel Ausdauer. Eine Prise (oder wohl eher ein ganzer Topf) Budget gehört auch dazu. Daher haben sich das La-sertechnologie-Unternehmen Trumpf beziehungsweise dessen Tochterunternehmen Qant und das Sensortechnologie-Unternehmen Sick zusammengetan, um gemeinsam den ersten Quantenoptik-Sensor für die Industrie zu ‚kochen' – denn damit sind alle Zutaten schon zusammengetragen, jetzt muss es noch garen. Das Ziel: der weltweit erste für eine Serienfertigung nutzbare Quantenoptik-Sensor.
Mit Quantensystemen können physikalische Größen wie Temperatur, Geschwindigkeit, elektrische und magnetische Felder oder Positionen mit einer wesentlich höheren Präzision gemessen werden als mit anderen bisher existierenden Sensoren. „Quantentechnologie ist die nächste Stufe für die Sensorik, denn sie verschiebt bisher fest verankerte technische Grenzen", bestätigt Dr. Robert Bauer, Vorstandsvorsitzender von Sick. „Wo bislang keine spezifischen Signale mehr messbar waren, lassen sich mittels Quanteneffekten aus dem Signalrauschen heraus zusätzliche Details wahrnehmbar machen." Das liegt daran, dass – während bisherige Sensoren hauptsächlich die Methoden der klassischen Physik nutzen – nun moderne Prinzipien angewendet werden. „Durch Weiterentwicklungen in der Optik und in der Mikrosystemtechnik bietet sich erstmals die Möglichkeit, die Quantenmechanik auch für die Sensorik nutzbar zu machen", erläutert Dr. Peter Leibinger, CTO bei Trumpf. Damit nutze man Möglichkeiten aus einem viel detaillierteren Bereich der Physik, um in der klassischen Mechanik zu messen. „Und dadurch kommt dieser Sprung in der Genauigkeit. Das ist wirklich fantastisch, was da stattfindet", kommentiert Leibinger strahlend. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren können Quantensensoren, so Leibinger, bei Magnet- oder Gravitationsfeldmessungen bis zu einer Million Mal genauer messen. Solche hochpräzisen Messungen und Erkenntnisse können zu völlig neuen Anwendungen in der Industrie führen. Während es bei Quantencomputern eine Herausforderung ist, dass Quanten sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse reagieren, ist dies für die Messtechnik ein Vorteil. Die Trumpf-Tochter Qant und Sick nutzen für ihre Sensoren die Photonik – es handelt sich also nicht um einen weiteren Stickstoff-Vakanz-Diamantsensor, wie die bekannten Quantensensoren des Fraunhofer IAF. Die Quantensensoren sollen die ultraschnelle Messung der Bewegung und Größenverteilung von Partikeln ermöglichen. Doch wie funktionieren sie? „Wir erzeugen mit Laserlicht ein Polarisations-Superpositionsmuster, das uns bekannt ist", erklärt Michael Förtsch, CEO von Qant. „Die verschiedenen Polarisationszustände sind überlagert und das ermöglicht uns – im Vergleich zu der Messung mit einem einfachen Laserstrahl –, gleich drei Informationen über ein Partikel im Messstrahl auszulesen, und das alles simultan." Das ist die Größe des Partikels, seine Geschwindigkeit sowie die Richtung der Bewegung. Diese Mehrinformation ließe sich dank Digitalisierung und Algorithmen nutzen, um „ein deutlich größeres Leistungsversprechen hinsichtlich der Prozesssteuerung in der Industrie zu ermöglichen", ergänzt Förtsch. Dass Qant und Sick beim Bau des Sensors komplett auf photonische und elektronische Komponenten setzt, ist einer der Gründe, warum die Marktreife bereits greifbar sei. „Wir werden im kommenden Jahr, also in 2021, an die ersten Pilotkunden herantreten und mit ihnen den Sensor einem Realitäts-Check unterziehen", so Sick-Vorstand Bauer. „Wir erwarten die Marktreife des Sensors im Jahr 2022." Der Quantensensor soll dann in der Lage sein, Partikel zu vermessen, die ein fünftel Mikrometer klein sind. Mit solchen Messungen können beispielsweise in der Halbleiterindustrie Partikelkontaminations-Quellen innerhalb des Herstellungsprozesses analysiert werden. Das vermeidet durch Kontaminationen hervorgerufene Produktionsstillstände. „Außerdem ist eine kontinuierliche Echtzeitmessung auch kleinster Partikel in der Pulverherstellung möglich", so Bauer. „Und die Daten können jederzeit online zur Qualitätssicherung abgerufen werden." Dies sei beispielsweise in der Pharmaindustrie bei der Tablettenherstellung nützlich, aber auch bei der Ze-ment-herstellung. „Wenn Sie sich vorstellen, welche Bandbreite die Pharmaindustrie und Zementherstellung darstellen, dann sehen Sie auch gleichzeitig die Bandbreite der möglichen Anwendungen, die uns im Sinne sind", ergänzt Bauer schmunzelnd. Mit dem Einstieg in die Quantentechnologie setzen Trumpf und Sick auf ein absolutes Hype-Thema, das in nahezu allen Branchen und Industrien zu großen Veränderungen führen wird. Experten der Deutschen Akademie für Technikwissenschaften Acatech schätzen das Marktvolumen von industriellen Quantensensoren weltweit auf rund 1,1 Mrd Euro bis zum Jahr 2023. Mit der Industrialisierung dürfte auch der Markt für Quantensensorik beständig wachsen. Darin sieht auch die Bundesregierung eine Chance. Für die Industrialisierung von Quantentechnologien möchte Berlin zwei Milliarden Euro bereitstellen. Das soll die deutsche Exzellenz in der Forschung auf diesem Gebiet in einsatzfähige Produkte umwandeln. Für Trumpf CTO-Leibinger sind besonders Quantentechnologien in den Bereichen der bildgebenden Verfahren, der Nachrichtenverschlüsselung, der Kommunikationstechnologie und der Sensorik relevant für die europäische Industrie. „Denn beim Quantencomputer müssen wir zu den starken Wettbewerbern in den USA aufschließen", so Leibinger. „Die anderen Quantentechnologien kann der Industriestandort Deutschland als führende Technologie-Nation mitgestalten: mit unserem Know-how in der Elektronik sowie im Maschinen- und Anlagenbau, aber auch mit unserer Innovationskraft, beispielsweise in der Automobil- oder in der Pharmaindustrie." Was ist also die wichtigste Zutat im Quantensensor-Rezept? Für Leibinger ist es Ausdauer: „Die Industrie in Deutschland und Europa kann sich in der Quantentechnologie nur einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, wenn Politik, angewandte Forschung und Industrie jetzt und für die nächsten Jahre an einem Strang ziehen." Nur mit Ausdauer könne Deutschland seine souveräne Position als Entwicklungsstandort dieser Spitzentechnologie auch in kommerzielle Lösungen überführen. Wenn die Industrie jetzt in gemeinsame Entwicklungsprojekte einsteigt, könnten bald alle von der Quantentechnologie profitieren.
Die physikalischen Eigenschaften der Quanten ermöglichen den Zugang zu mehr messbaren Informationen. Genutzt werden dafür beispielsweise die folgenden Phänomene:
Superposition: Quanten können gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen und befinden sich dann in einer sogenannten Superposition. In diesem Zustand verhalten sie sich nicht mehr wie Teilchen, sondern wie Wellen. Erst bei der Messung wird der Zustand eindeutig auf einen bestimmten Zustand festgelegt. Ein bekanntes Gedankenexperiment dazu ist Schrödingers Katze. Quantenverschränkung: Die Verschränkung beschreibt eine besondere Kopplung zwischen Quanten, die unter anderem auftritt, wenn die Teilchen miteinander wechselwirken. Sie bilden dann ein Gesamtsystem, in dem die Quanten nicht mehr einzeln beschrieben werden können, sondern voneinander abhängig sind. Eine Zustandsmessung bei dem einen Quant führt dann automatisch zu einer Zustandsänderung des anderen Systems – auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Heisenbergsche Unschärferelation: Die Unschärferelation von Werner Heisenberg besagt, dass zwischen Ort und Impuls auf atomarer Ebene eine Unschärfe existiert. Das bedeutet, dass man Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig genau kennen kann. Je genauer man die Position kennt, desto größer wird die Unschärfe des Impulses, und umgekehrt. Dies gilt außerdem für weitere komplementäre Messgrößen, wie beispielsweise Energie und Zeit. Verbunden mit der Unschärferelation ist der Tunneleffekt.
julia.dusold@mi-connect.de
Graph: Quantensensoren ermöglichen enorm genaue Messungen, die so bisher nicht möglich waren. Hier zu sehen: Eine Mitarbeiterin von Qant überprüft die elektronische Signalverarbeitung im Sensor. Bild: Trumpf
Graph: Der Quantensensor von Qant wird in der ersten Version in etwa so groß sein wie ein Schuhkarton. Bild: Trumpf
Graph: Robert Bauer ist Vorstandsvorsitzender von Sick. Bild: Sick
Graph: Michael Förtsch ist CEO der Trumpf-Tochter Qant. Bild: Trumpf
Graph: Peter Leibinger ist CTO bei Trumpf. Bild: Trumpf
Graph: Julia Dusold hat Physik sowie Technische Redaktion studiert und widmet sich nun bei PRODUKTION der Faszination Technik.