Expertise
Unternehmen
Quantum Sensing – Von DeepTech zu industrieller Anwendung
Während deutsche Forschungsinstitute weltweit anerkannte Grundlagenforschung betreiben, liegt die Herausforderung für transformativen Impact im Technologietransfer: Wie lässt sich wissenschaftliche Exzellenz in kommerziell erfolgreiche Anwendungen überführen? Wie lassen sich neueste Technologien zugänglich und kommunizierbar machen? Deshalb entstand ein Minimal Viable Product, das die Komplexität von Quantentechnologie auf das Minimum reduziert und den Fokus dorthin lenkt, wo er hingehört: auf den konkreten Nutzen in der Anwendung.
Use-Case Entwicklung
Im Projekt identifizierten wir Szenarien, in denen die Quantenphysik bestehende Probleme löst und bereits heute messbare Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoren bietet. Dadurch werden neue Anwendungsmöglichkeiten greifbar. Ein Beispiel ist die Analyse komplexer Elektronikkomponenten: Quantensensing ermöglicht dort eine extrem hohe Messgenauigkeit und die Bestimmung der Magnetfeldausrichtung. So können Defekte im PCB (Printed Circuit Board) detektiert werden, die ohne derartige Messtechnik nicht ohne Weiteres feststellbar wären. In der Praxis erlaubt dies die Überprüfung zirkulärer Elektronikprodukte für eine Wiederverwendung oder Aufarbeitung.
Deep Dive: Wie Quantenphysik zum Werkzeug wird
Hier wird es technisch: Das Herzstück des Quantenscanners basiert auf einem Sensor, der NV-Zentren (Nitrogen-Vacancy) in Diamanten gemeinsam mit einer Mikrowellenspule nutzt, um die Magnetresonanz zu messen (ODMR).
Die NV-Zentren werden von einer grünen LED optisch angeregt, um anschließend die magnetfeldabhängige Fluoreszenz zu messen. Ohne externes Magnetfeld beobachtet man bei einer Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz einen charakteristischen Abfall der Fluoreszenz. Ein externes Magnetfeld bewirkt nun eine symmetrische Aufspaltung dieses Dips in zwei Minima (Zeeman-Effekt). Je stärker das Feld, desto weiter rücken diese Dips auseinander.
Die Herausforderung besteht darin, dieses Messprinzip in eine Produktform zu überführen, die es Nutzer:innen ohne tiefes physikalisches Wissen ermöglicht, es für ihren Anwendungsfall zu nutzen, dennoch notwendige Einstellungen vorzunehmen und die Messwerte zu interpretieren.
- Für die Anwender:innen haben wir die Steuerung der Mikrowellen-Sweeps in eine Einstellung der Sensor-Bandbreite und damit den Maximalwert für die Magnetfeldstärke übersetzt.
- Für die Expert:innen zeichnen wir zusätzlich die gesamten ODMR-Messwerte auf, um diese in einem Wasserfall-Spektrogramm darzustellen. Diese Visualisierung der Sweeps ermöglicht es Physiker:innen beim Fraunhofer, die Messparameter zu optimieren und die Qualität der Resonanzkurven sofort zu validieren. Weiterhin sind die Sensorparameter, wie die Anzahl der Messpunkte, direkt einstellbar, um diese optimieren zu können. Beispielsweise werden ausreichend Messungen benötigt, um auch überlappende Dips durch die verschiedenen Magnetfeldrichtungen zuverlässig zu erkennen, ohne zu sehr langen Messzeiten zu führen.
Für die Kinematik haben wir die Gantry (Bewegungssystem) eines bestehenden 3D-Druckers genutzt, um die Kamera und den Quantensensor zu positionieren. Durch ein Custom-Mounting-System mit Kalibrierungspunkten werden die Pixeldaten der Kamera durch unser Backend in G-Code übersetzt – so werden die Sensormessdaten zusammen mit den Koordinaten der Gantry gespeichert und in Pixelwerte für das Mapping der Heatmap mit den Kameradaten übersetzt.
In drei Wochen zum funktionalen Durchstich
In der DeepTech-Entwicklung werden Zyklen oft in Jahren bemessen. Gemeinsam mit dem IAO haben wir gezeigt, dass es auch anders geht: In drei Wochen vom Kickoff zum funktionalen Durchstich. Diese Geschwindigkeit ermöglicht es, die Erkenntnisse aus der Anwendung schnell in die Forschung zu integrieren und mit der Industrie über deren Anwendungspotenziale in den Dialog zu treten.
Strategischer Mehrwert für Fraunhofer IAO
Überzeugungskraft des Showcases gegenüber potenziellen Industriepartnern:
- Kommunikation durch Erlebbarkeit: Der Showcase macht abstrakte Vorteile selbsterklärend. Das IAO präsentiert nicht mehr nur Forschung, sondern Lösungen.
- Validierung des industriellen Interesses: Der Scanner dient als „Gesprächsstarter“. Er provoziert konkretes Feedback und lässt Industriepartner:innen fragen: „Wie kann ich das für meine eigenen Use-Cases nutzen?“
- Beschleunigung des Technologietransfers: Dass innerhalb von drei Wochen ein solcher Showcase entstehen kann, reduziert das wahrgenommene Risiko für potenzielle Partner.
„Im Rahmen des BMFTR-Projekts Quanderland erforschen wir neue Ansätze des Technologie- und Wissenstransfers in der Quantentechnologie. Dabei kooperieren wir mit Quantensensorik-Experten (Dr. André Bülau und Daniela Walter vom Hahn-Schickard), identifizieren Anwendungsfelder und realisieren Next-Gen-Demonstratoren. Durch die Zusammenarbeit mit dem Team bei Intuity konnten wir die ursprünglich auf sechs Monate angesetzte Entwicklungszeit auf nur drei Wochen verkürzen.”
DeepTech to Product
Der Quantenscanner demonstriert, dass fortgeschrittene Technologien nicht jahrelange Entwicklungszyklen erfordern. Durch Fokussierung auf unmittelbar realisierbaren Nutzen kann Grundlagenforschung frühzeitig in spezifische Produktanwendungen einfließen — und damit Skalierungspotenziale transparent machen. Dies überzeugt Investoren und Partner gleichermaßen, während Technologietransfer von Anfang an in kommerziell tragfähige Entwicklung integriert wird.
Haben Sie eine Technologie, die ihren Weg in den Markt sucht?