Anwendungsbezogene Forschung

Mit dieser Fördermaßnahme verfolgt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Ziel,  die Quantensensorik, -metrologie und -bildgebung aus dem Labor in die technische Anwendung zu überführen. Sie ist Teil des Programms der Bundesregierung „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“.

Förderziel und Zuwendungszweck

Quantenmessungen ermöglichen den Nachweis extrem schwacher Signale. Zwar werden gegenwärtig klassische Sensorprinzipien verbessert und kombiniert, allerdings sind die maximal erreichbaren Empfindlichkeiten durch Messprinzipien in aller Regel limitiert. Die unterschiedlichen Quantensysteme weisen dabei spezifische Stärken auf, um Größen wie Zeit, Geschwindigkeit, Gravitation oder elektrische und magnetische Felder mit extrem hoher Genauigkeit zu messen. So kommen bereits heute hochgenaue Atomuhren, die auf Quanteneffekten beruhen, im Global Positioning System (GPS) zum Einsatz und supraleitende Quanteninterferometer (SQUID) werden genutzt, um Hirnaktivitäten zu messen. Zukünftig erscheint das vereinfachte Auffinden von Bodenschätzen, eine höchstgenaue Navigation oder der schonende Nachweis einzelner biologischer Moleküle möglich. Ein weiterer Einsatzbereich von Quantenphänomenen findet sich bei der optischen Abbildung (Quantum enhanced Imaging). So lassen sich mit quantenmechanischen Verfahren beispielsweise höhere optische Auflösungen erzielen als mit klassischen Verfahren. Dasselbe Prinzip lässt sich auch in der Quantenlithographie zur Erzeugung kleinerer Strukturen ausnutzen. Verschränkte Photonen können zudem beim sogenannten Ghost Imaging oder bei der Abbildung mit nicht nachgewiesenen Photonen, eingesetzt werden. Beide Methoden trennen die Wechselwirkung mit dem Objekt und die Detektion des Signals voneinander.

Bislang sind die meisten Ansätze der Quantentechnologien nur im Labor gezeigt. Für eine tatsächliche Feldtauglichkeit bedarf es neben einer hohen Genauigkeit auch neuartiger Konzepte für die Steigerung der Robustheit, einer besseren Bedienbarkeit sowie der Integration in bestehende Systeme. Das Erfordernis extrem tiefer Temperaturen, hochgenauer Positionierung oder die teilweise enorme Größe der Aufbauten stellen derzeit noch eine Hürde dar. Um letztlich tatsächlich genutzt zu werden, müssen die Quantenmesssysteme zudem wirtschaftlich konkurrenzfähig sein.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind Forschungsansätze, die sich dem Messsystem in seiner Gesamtheit widmen, erforderlich. Sich komplementär ergänzende Kompetenzen von Teilnehmern eines solchen Projekts sind daher zwingend notwendig, um den komplexen Fragestellungen begegnen zu können. Neben dem eigentlichen quantenphysikalischen Verständnis gewinnen ingenieurstechnische Kompetenzen sowie eine konkretere Vorstellung zum späteren Einsatzgebiet mit fortschreitender Technologiereife zunehmend an Bedeutung.

Das Ziel der Fördermaßnahme im Rahmen des Programms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ ist, die Quantenmesstechnik in Anwendungsfelder jenseits der akademischen Forschung zu überführen. Das BMBF fördert daher Verbundvorhaben, die den oben genannten Ansprüchen genügen und deren konkrete Zielstellungen sich am spezifischen Bedarf des jeweiligen Nutzers ausrichten.