Quantensensoren können weit präziser als klassische Sensoren Magnetfelder, Schwankungen von Temperatur, Druck und andere Kenngrößen ermitteln. Das Optoquant-Projekt in Dresden zieht darauf, ein komplettes System in einen Chip zu packen. Dies könnte u. a. neue Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglichen. Visualisierung: KI Gemini, Prompt: Heiko Weckbrodt
„Optoquant“: Fraunhofer und Planck arbeiten in Dresden an ultrapräzisen Quantensensor-Chips für Magnetfelder
Dresden, 4. Januar 2026. Ultrapräzise Quantensensoren könnten schon bald neue Möglichkeiten eröffnen, Hirnströme zu analysieren, nach bisher unentdeckten Bodenschätzen zu suchen und jenseits aller Sicht auf Satelliten in Gebäuden und unter der Erde zu navigieren. Um dies zu ermöglichen, wollen Dresdner Fraunhofer- und Planck-Forscher gemeinsam solche neuartigen Magnetfeld-Sensoren in Chips integrieren.
Alles in einem Chip: Oled statt Laser regt NV-Diamanten an
Dafür haben das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) und das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (CPfS) nun das Projekt „Optoquant“ gestartet. Das zielt darauf, Mini-Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen („NV“), organische Leuchtdioden (Oled), Antennen und Auswertelektronik auf kleinstem Raum in jeweils einem Schaltkreis zu integrieren. Ein erster Technologiedemonstrator liegt im Labor bereits vor. Zur Photonik-Messe „SPIE AR/VR/MR“ will das IPMS die bisher erzielten Fortschritte und die Chancen von „Optoquant“ vom 20. bis 22. Januar 2026 in San Francisco einem Fachpublikum vorstellen.
„Durch die Integration von Lichtquelle, Detektor, Mikrowelle und Auslese auf einem Chip wird das System stark miniaturisiert“
„Optoquant“-Projektleiter Patrick Engelmann vom IPMS
„Die neu entwickelte Plattform zur Quantensensorik kann aufgrund der NV-Technologie problemlos bei Raumtemperatur betrieben werden, wo sonst aufwändige Kryotechnik erforderlich ist“, erklärt IPMS-Projektleiter Patrick Engelmann. „Durch die Integration von Lichtquelle, Detektor, Mikrowelle und Auslese auf einem Chip wird das System stark miniaturisiert und verbraucht sehr wenig Energie. Das System ist robust und portabel, da es ohne Laser und Optiken auskommt.“
Diamant-Fehlstellen werkeln bereits in mobilen Quantenrechnern aus Sachsen
Das Grundprinzip dahinter wird beispielsweise bereits in einigen Quantencomputern eingesetzt, wie sie beispielsweise der sächsische Hersteller „Saxonq“ produziert. Die Schlüsselkomponente sind dabei Diamanten mit kleinen Fehlstellen in ihren Atomgittern, in denen Stickstoff- statt Kohlenstoff-Atome sitzen. Durch Mikrowellen lassen sich diese „Nitrogen-Vakanzen“ (NV) zu quantenmechanischen Effekten anregen. Bestimmte Quantencomputer nutzen diese Fehlstellen für superschnelle Berechnungen. Der große Vorteil dieser NV-Technologie: Anders als die extrem tiefgekühlten supraleitenden Quantenrechner von IBM & Co. sind solche NV-Systeme einfacher zu bauen und funktionieren bei Raumtemperatur.
Organische Leuchtdioden statt sperriger Laser und Optiken
Diese Vorteile wollen die Planck- und Fraunhofer-Forscher nun auf praxistaugliche Hochpräzisions-Sensoren für Magnetfelder übertragen: In den künftigen Quantensensor-Chips regen Oleds die NV-Zentren in den Mini-Diamanten an. Die senden dann Licht aus, aus dessen Signatur sich selbst ganz schwache Magnetfelder, winzige Schwankungen von Temperatur oder elektrischen Feldern auslesen lassen.
Erste Muster in vier Jahren erwartet
An ähnlichen Systemen im Labormaßstab arbeitet die „Quantum Information for Quantum Materials“-Forschungsgruppe im Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe bereits seit einigen Jahren. Nun steht der nächste Schritt an: Die Miniaturisierung auf die Größe von Computerchips, wobei der Laborlaser durch kleine Oleds ersetzt und auch gleich Antenne und Analyseelektronik eingebettet werden. Die ersten Pilot-Muster für Forschungszwecke wollen die Optoquant-Partner in drei bis vier Jahren fertigstellen. Danach könne die Pilotproduktion starten, schätzt das IPMS ein.
Massenproduktion in Chipfabriken möglich
Die Forscher sehen für ihre Optoquant-Chips große Perspektiven: Chipfabriken könnten solche Schaltkreise massenhaft in klassischen Technologien auf „CMOS“-Basis herstellen. „Die geplante Architektur erlaubt die kostengünstige Produktion auf Wafer-Ebene in großem Maßstab und erweitert somit die potenziellen Anwendungsfälle für optische Quantensensoren“, verspricht Patrick Engelmann.
Neue Möglichkeiten für Medizin, Geophysik, Tunnel-Navigation und Mensch-Maschine-Schnittstellen
Und diese Technik eröffne „neue Horizonte von der Geophysik zur Erkundung von Erdmagnetfeldverformungen bis hin zur Medizin für Herz- und Nervenmonitoring“, heißt es aus dem IPMS. Perspektivisch könnten, auch als Schnittstelle zur „Hirn-Maschine-Interaktion“ dienen: Indem sie selbst die schwachen Magnetfelder, die durch Hirnströme entstehen, durch den Schädel hindurch erkennen. Weiter gedacht, könnte dies womöglich Fallsüchtigen auch ohne aufwändige Elektroden helfen, epileptische Anfälle frühzeitig zu erahnen, oder kleine Kopf-Clips ermöglichen, mit denen sich Roboter und Maschinen durch gedankliche Befehle steuern lassen.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: IPMS, Oiger-Archiv, Wikipedia, international society for optics and photonics (SPIE)
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