Sensortechnik
Das Gebiet der Quanten-Sensortechnik soll die Genauigkeit und Empfindlichkeit in vielen unterschiedlichen Bereichen und Anwendungen erhöhen. Quantensensoren nutzen die Quantennatur des Lichts und der Materie, um physische Eigenschaften wie Frequenz, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder, Gravitationsveränderungen oder Temperatur so präzise wie möglich zu messen. Im Gegensatz zu klassischen Sensoren, deren Fähigkeiten durch physikalische Störfaktoren begrenzt werden, nutzen Quantensensoren einzelne oder verschränkte Quantensysteme wie Atome oder Photonen, um winzige Veränderungen im Umfeld zu erkennen und die kleinsten Phänomene zu registrieren.
Gravitation, Rotation und Beschleunigung
Quantensensoren bieten beachtliche neue Möglichkeiten, um Veränderungen bei Gravitation, Rotation und Beschleunigung zu messen. Sie können bereits ganz geringfügige Veränderungen von Effekten erkennen und nutzen so die extreme Empfindlichkeit von Quantenzuständen für Einflüsse von außen. Geräte wie kalte Atominterferometer ermöglichen eine außerordentlich präzise Messung von Gravitationswellen sowie Beschleunigungs- und Rotationskräften.
Zeit
Quantenuhren sind die präzisesten und stabilsten Zeitmessgeräte, die je entwickelt wurden. Sie machen sich die Quanteneigenschaften von Atomen zunutze, um eine Sekunde mit geradezu unglaublicher Genauigkeit zu definieren. Im Gegensatz zu traditionellen mechanischen oder Quarzuhren, die auf nicht perfekte physische Schwingungen zurückgreifen, verwenden Quantenuhren das konstante und stets gleiche "Ticken" von Atomen beim Übergang zwischen verschiedenen Energiezuständen, wenn sie dazu von Lasern angeregt werden. Die modernsten Quantenuhren gehen so präzise, dass sie in über 15 Milliarden Jahren – also einem längeren Zeitraum als unser Universum überhaupt existiert – nicht einmal eine Sekunde vor- oder nachgehen würden. Die unvergleichliche Genauigkeit von Quantenuhren wird für Anwendungen in der Navigation genutzt (ohne Nutzung von Satellitensignalen wird so eine zentimetergenaue Navigation möglich). Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Geodäsie und in der Grundlagenphysik.
Magnetische Felder
Neben einer präzisen Zeitmessung können außerordentlich empfindliche Sensoren, die Quanteneigenschaften zur Erkennung magnetischer Phänomene nutzen, auch zur deutlichen Verbesserung der Navigation verwendet werden. Die Messung der Rotation, der Beschleunigung und der Magnet- und Gravitationsfelder der Erde sowie der Zeit liefert die wichtigsten Bestandteile eines Inertial-Quantum-Navigationssystems, das unabhängig von Satelliten ist. Andere Anwendungsbereiche sind eine moderne medizinische Diagnostik, geologische Vermessungen und Materialforschung.
Chemische Detektion
Quantensensoren können in der chemischen Detektion angewendet werden, z. B. zur Entwicklung hochempfindlicher Diagnoseinstrumente für medizinische Anwendungen wie der Erkennung von Krankheiten, für ein modernes Umweltmonitoring im Hinblick auf Schadstoffe und Treibhausgase oder zur Entwicklung neuer Methoden für die Materialforschung durch die Beschreibung von Molekülen auf Nanoebene. Diese Technologie bietet unvergleichliche Empfindlichkeit und Präzision bei der Detektion von kleinsten chemischen Spuren und für ein besseres Verständnis von molekularen Wechselwirkungen.
Bildgebung
Bildgebungssysteme, die Quantenkorrelationen (z. B. Verschränkung) verwenden, können die Auflösung, die Empfindlichkeit oder den Kontrast über die bisherigen Grenzen hinaus verbessern. Typische Anwendungsbereiche sind medizinische Anwendungen wie hoch aufgelöste Hirnscans, die Erkennung von Erkrankungen durch eine Analyse schwacher biologischer Signale, Materialtests in der Industrie, mit deren Hilfe potenziell katastrophenträchtige Fehler ermittelt werden können, oder Anwendungen im Verteidigungsbereich wie eine bessere Überwachung und Navigation.