Im Gespräch mit Jörg Wrachtrup, Professor am Physikalischen Institut der Universität Stuttgart

Jörg Wrachtrup, Professor am Physikalischen Institut der Universität Stuttgart und Fellow am Max-Planck-Institut für Festkörperphysik, war schon immer fasziniert von physikalischen Fragestellungen, deren Ergebnis sich sehr genau berechnen und mit Theorien vergleichen lässt. Heute ist er einer der meistzitierten Wissenschaftler (HCR) in der Physik, u.a. aufgrund seiner Forschungen über Diamant-Quantensensoren. In diesem Interview spricht er mit Xavier Vidal, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF.

Wie beeinflussen Quantensensoren bereits heute unser Leben?

Wrachtrup Gaszellenmagnetometer, die seit 15 Jahren in der Entwicklung sind, revolutionieren gerade die Neurowissenschaften. Sie ermöglichen einen vollkommen neuen Zugang zu neurologischen Untersuchungen, insbesondere unseres Gehirns, und werden zu einer dramatischen Verbreitung dieser Technik führen. Bisher waren solche Untersuchungen nur in wenigen europäischen Zentren möglich, plötzlich sind wir auf dem Weg, dass sie praktisch jeder Hausarzt machen kann.

Vidal Ein weiteres Beispiel ist die Kernspintomographie (NMR) und ihr bildgebendes Äquivalent, Magnetresonanztomographie (MRT). MRT-Scanner sind in Krankenhäusern ein gängiges Gerät. Indem sie die Quanteneigenschaften der Protonen des menschlichen Körpers abfragen, können MRTs ein 3D-Bild der inneren Weichkörpergewebe und Organe machen. Ich stelle mir vor, dass diamantbasierte NMR-Sensoren bald ähnliche Ergebnisse aus nur einem Tropfen einer menschlichen Flüssigkeit oder einem kleinen Stück Gewebe mit hoher Auflösung liefern werden.

© David Ausserhofer
Prof. Jörg Wrachtrup forscht am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart
Dr. Xavier Vidal erforscht am Fraunhofer IAF Diamant für die Quantensensorik.
© Fraunhofer IAF
Dr. Xavier Vidal erforscht am Fraunhofer IAF Diamant für die Quantensensorik.

Ist die Quantensensorik also die Quantentechnologie, die am nächsten an der Anwendung ist?

Wrachtrup — Ich würde sagen, die Quantensensorik ist einen Lebenszyklus weiter als das Quantencomputing. Es gibt bereits Start-ups und kleine Unternehmen, die Quantensensoren anbieten. Das ist natürlich noch kein Massenmarkt. Einfache Quantensensoren sind schon in der Anwendung; bei komplexeren Fragestellungen wird sich in den nächsten Jahren herausstellen, ob sie genauso erfolgreich werden und man damit markttaugliche Magnetometer, wie sie heute in Handys und Computern verbaut werden, ersetzen und verbessern kann.

Vidal — Am Fraunhofer IAF erforschen wir Quantensensorik zum Nachweis von Magnetfeldern und Mikrowellenquellen, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Nano- und Mikroelektronik, Chemie, Medizin, Materialwissenschaft und Navigation genutzt werden. Die Detektion von Magnetfeldern, Gravimetrie oder Trägheitsnavigation sind weitere marktnahe Anwendungen diamantbasierter Sensoren. Wer weiß, vielleicht brauchen wir sie irgendwann auch in unseren Handys, wenn wir den Weltraum erkunden wollen.

Wie können Fraunhofer, Start-ups und Unternehmen zusammenarbeiten, um Quantensensoren zum Erfolg zu führen?

Wrachtrup — Meine persönliche Erfahrung ist die, dass große Unternehmen, die das Potenzial haben, Technologien wie die Quantensensorik in den Markt zu bringen, häufig einen sehr spezifischen Marktansatz haben. Sie wollen den Massenmarkt beliefern und das bringt natürlich einen gewissen Kostendruck mit sich. Für die Quantentechnologie ist das schwierig, weil zu Beginn der Use Case den Preis nicht rechtfertigt. Kleine Unternehmen und Start-ups können flexibler auf Nischenmärkten agieren. Wenn sie dranbleiben, können sie es schaffen, einen Technologiewandel anzustoßen, von dem am Ende auch Großunternehmen profitieren.

Vidal — Da verbinden Fraunhofer-Institute beide Welten perfekt. Wir sind in der günstigen Position, gleichzeitig Entwicklungen vorantreiben und große Unternehmen davon überzeugen zu können, dass die anfänglichen Kosten später belohnt werden. Außerdem öffnen wir jenen Unternehmen die Tür, die die Möglichkeiten der Quantentechnologien schon in sehr frühen Forschungsstadien ausloten wollen.

Diamantplättchen verschiedener GRößen
© Fraunhofer IAF
Diamantplättchen verschiedener Größen werden am Fraunhofer IAF gewachsen.
© Fraunhofer IAF

Wie wichtig ist denn interdisziplinäre Kooperation?

Vidal — Kooperationen sind absolut unerlässlich. Es gibt bei uns kein einziges Projekt, das ohne die Zusammenarbeit verschiedener Bereiche und Fachkenntnisse erfolgreich ist.

Wrachtrup — Ein Beispiel: Die Entwicklung der Gaszellenmagnetometer dauerte 15 Jahre, weil es nur eine Gruppe gab, die sich dessen verschrieben hat. Es wäre deutlich schneller gegangen, wenn mehrere Forschergruppen daran gearbeitet hätten. Ich denke, daraus haben wir gelernt, dass man von vorneherein mehrere Ebenen der Entwicklung miteinbeziehen muss. Man kann es nicht in der Naturwissenschaft ausentwickeln und hoffen, dass jemand die Technik aufgreift. Man muss anwendungsorientierte Akteure wie Fraunhofer und die Ingenieurswissenschaften schon ganz zu Beginn von der Entwicklung begeistern.

Haben Sie Vorbilder bei Ihrer Arbeit?

Wrachtrup — Oh, da gibt es viele. Es gibt unglaublich kreative Menschen unter den Lebenden und den Toten. Ich finde Bewunderung für Menschen, die über Jahre ihre Ideen verfolgen und sich nicht beirren lassen. Das ist für mich der eigentliche Kern von Fortschritt in der Wissenschaft.

Vidal — Ich kann mich auch nicht für eine Person entscheiden. Ich habe kein Vorbild an sich, aber wenn ich Namen nennen muss, die mich und meine Beziehung zur Natur und Wissenschaft in meiner Kindheit beeinflusst haben, würde ich zwei Personen nennen. Erstens Carl Sagan, der einmal wöchentlich eine Fernsehsendung gemacht hat, in der die Existenz ferner Galaxien, Sterne und anderer Formen von Materie beschrieben wurde. Und dann, an den Wochenenden, war Jacques Cousteau in einer anderen Fernsehsendung zu sehen, in der er für alle Zuschauer die Unterwasserwelt beschrieb und entdeckte. Ich war fasziniert von der Tatsache, dass er ein autonomens Gerät zum Atmen unter Wasser erfunden hat. Und so wurde auch ich ein Physiker, der in seiner Freizeit das Tauchen liebt! (lacht)

© Universität Stuttgart
Prof. Jörg Wrachtrup forscht schon seit langem zum Thema Diamant-Quantensensorik.
Das Fraunhofer IAF entwickelt Diamantspitzen mit eingebauten NV-Zentren für den Einsatz als Halbleiterbasierte Qubits.
© Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer IAF entwickelt Diamantspitzen mit eingebauten NV-Zentren für den Einsatz als Halbleiterbasierte Qubits.

Was bringt die Zukunft der Quantensensorik?

Wrachtrup — Ich weiß noch, als ich vor 20 Jahren die ersten Paper gelesen habe und dachte, das sind doch alles Träumereien. Die Anforderungen an solche Systeme sind so hoch, dass sich niemand vorstellen konnte, dass man irgendwann die Technologie dafür beherrschen könnte. Und doch existieren heute die ersten funktionierenden Quantensysteme. Deshalb halte ich es für äußerst wichtig, die Quantensensorik weiter zu verfolgen. Ich sage es mal im Geiste Einsteins, der ja auch ein Nonkonformist war – das wahre Potenzial einer Idee zeigt sich erst mit der Zeit.

Vidal — Ich glaube, dass Quantensensoren in naher Zukunft, in 10 oder 20 Jahren, für uns ganz alltäglich sein werden. Es handelt sich nicht nur um eine Technologie, die die derzeitige Sensorik verbessern wird, sondern um ein neues Paradigma, das in die Praxis umgesetzt wird. Das ist die Grundlage der neuen Revolution in den Quantentechnologien und steht hinter einer faszinierenden neuen Vielfalt von Technologien und Anwendungen, die erst noch kommen werden. Mit anderen Worten, uns steht eine aufregende neue Herausforderung bevor, eine Art neue industrielle Revolution.

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Quantensensorik am Fraunhofer IAF

Wir erforschen Diamant für die Quantensensorik.

Applikationslabor Quantensensorik

Hier finden Sie alle Informationen zum Applikationslabor Quantensensorik.