Handliches Quanten-Gerät könnte GPS ersetzen

Das deutsche Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik hat ein neues Quantengerät entwickelt, das in Zukunft sichere Navigation ohne GPS bieten könnte. Das Quantenmagnetometer orientiert sich dabei am Magnetfeld der Erde, um seinen Standort zu bestimmen. 

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Der nicht einmal kugelschreibergroße Sensor soll Ende Juni auf der Fachmesse World of Quantum in München vorgestellt werden. Laut Presseaussendung kann es kleinste Magnetfelder mit einem "bisher unerreichten Maß an Flexibilität und Präzision messen". Mit dem Sensor seien verschiedene Messungen möglich - von elektrischen Signalen in den Nervenbahnen, in der Mikroelektronik bis hin zu den Magnetfeldern der Erde.

Nicht störanfällige GPS-Alternative

Ähnlich wie Vögel, die sich ebenfalls am Magnetfeld der Erde orientieren, könnte das eine vielversprechende GPS-Alternative darstellen. Das Erdmagnetfeld zeigt nämlich nicht nur den magnetischen Nord- und Südpol an, es weist auch regionale Unterschiede auf, die zur Orientierung beitragen. Außerdem gilt es nicht als störanfällig - anders als Satellitennavigation, die durch Störattacken außer Gefecht gesetzt werden kann.

Der Sensor funktioniert dabei auf Basis von Diamanten, die im Labor gezüchtet werden. Anstatt vollständig aus Kohlenstoff zu bestehen, werden einzelne Stellen im Kristallgitter gezielt mit Stickstoffatomen "verunreinigt". Neben den Stickstoffatomen entsteht dabei eine leere Stelle im Diamantgitter. Diese sogenannten Stickstoff-Fehlstellen haben einen messbaren Spin, der überaus empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist. 

Die Forscher konnten den Sensor im vergangenen Jahr bereits um den Faktor 30 schrumpfen und die Sensitivität so weit erhöhen, dass er Magnetfelder von einigen Pikotesla wahrnehmen kann. Das Erdmagnetfeld ist mit 30-60 Nanotesla millionenfach stärker. Außerdem entwickelten sie eine optionale Wasserkühlung, wodurch der Sensor sogar unter schweren Einsatzbedingungen eingesetzt werden kann.

Sensor soll weiter verkleinert werden

Ziel für das kommende Jahr ist, den Sensor weiter um den Faktor 5 zu verkleinern und die Sensitivität in den Subpikotesla-Bereich zu steigern, sagt Michael Stoebe, Geschäftsfeldleiter Quantenbauelemente, in einer Aussendung. 

Auch anderorts wird an Navigation mit Quantensensoren experimentiert. Das australische Start-up Q-CTRL arbeitet an einer ähnlichen Technologie und konnte damit bereits gute Erfolge erzielen. Es kündigte bereits 2023 eine Kooperation mit dem australischen Verteidigungsministerium an, um die Technologie etwa in Flugzeugen, Schiffen oder U-Booten zu testen.

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