Quantensensorik: Neue Lösungen für die Industrie

Unangefochtene Stars unter den Quantentechnologien sind die Quanten-Computer. Umschlossen von kronleuchterartigen Kühlelementen ziehen sie nicht nur optisch alle Blicke auf sich. Quantensensorik führt dagegen eher ein Schattendasein. Nicht, weil sie so unbedeutend wäre oder es an der technologischen Reife fehlte: Quantensensorik. eröffnet bereits heute neue Möglichkeiten Vieles genaue und detaillierter oder Manches überhaupt erst messen zu können. Allerdings entfaltet sie ihr Potenzial häufig im Verborgenen. Nicht zuletzt weil sich viele Akteure nur ungern in die Karten schauen lassen.

Relativ offen gab sich Platzhirsch Bosch Quantum Sensing. Zumindest bis 2025 die De Beers-Tochter Element Six bei dem bis dahin noch internen Bosch Start-up einstieg. Element Six stellt Industrie-Diamanten her: Schlüsselrohstoff für Quantensoren, die auf Nitrogen Vacancy Centers (NVC) basieren. Stickstoff-Vakanz-Zentren im Kohlenstoffgitter von Diamanten sind einer der vielversprechendsten Ansätze für eine ganze Reihe von Anwendungen.

Danach ist es vergleichsweise still geworden um Bosch Quantum Sensing. „Den Weg zur Marktreife will Bosch gemeinsam mit Kunden gehen. Aus Vertraulichkeitsgründen können wir daher nicht über alle Projekte und Anwendungen sprechen“, erklärt Geschäftsführerin Dr. Katrin Kobe die neue Zurückhaltung. Erste Pilotierungen mit Industriepartnern seien jedoch bereits gestartet. Aktuell arbeite das Unternehmen „unter anderem“ an„Magnetic Navigation“ im Bereich Mobility und Kardio-Diagnostik in der Medizintechnik.

Auch andere namhafte Akteure halten den Ball mittlerweile flacher oder haben sich zurückgezogen. So legte Trumpf-Tochter Q.ANT das Thema Quantensensorik Mitte 2025 ad acta. „Wir setzen voll auf photonisches Computing, auch in Abgrenzung zu Quantencomputing, das erst in mehreren Jahren produktiv in Datencentern installiert werden wird“, berichtet Unternehmenssprecher Jörg Kochendörfer. Eine Technologie-Partnerschaft von Trumpf und Sensor-Spezialist Sick in Sachen Quantensensorik lief bereits im Jahr davor aus.

Sick sieht Sensorik auf Quanten-Level grundsätzlich als spannendes Zukunftsfeld. „Gleichzeitig befindet sich die Quantensensorik aus unserer Sicht aktuell noch in einem vergleichsweise frühen Entwicklungsstadium, insbesondere im Hinblick auf industrielle Anwendungen in größerem Maßstab“, erklärt Unternehmenssprecher Tobias Kaiser. Sick verfolge die Entwicklungen in diesem Bereich jedoch aufmerksam weiter, etwa als assoziierter Partner in zwei Förderprojekten. Ein laufendes Projekt innerhalb des Unternehmens gebe es derzeit nicht.

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Näher an der Anwendung

In Deutschland sind es vor allem Start-ups, die die Umsetzung neuester Erkenntnisse aus der Quantenforschung in konkrete Anwendungen vorantreiben. Allerdings nicht unbedingt allein: „Wir beobachten mehr Kooperationen zwischen etablierten Industrieunternehmen und Quanten-Start-ups, als öffentlich sichtbar sind“, berichtet Dr. Henning Soller, Partner bei McKinsey Frankfurt und verantwortlich für den jährlichen Quantum Technologies Monitor. „Gerade in der Quantensensorik sind viele Projekte bereits vergleichsweise nah an konkreten industriellen Anwendungen. Deshalb bleiben solche Kollaborationen häufig zunächst vertraulich“, erklärt er.

Während es beim Quanten Computing eher noch darum geht, mittelfristig neue Lösungswege zu entwickeln, können Quantensensoren schon heute konkrete Probleme lösen. „Quantensensorik ist in einigen Anwendungen schon deutlich näher am praktischen Einsatz als die anderen Quantentechnologien“, so Soller.

Laut aktuellem ‚Quantum Technologies Monitor’ flossen allein in 2025 weltweit mehr als zwölf Mrd USD in Quanten-Technologie-Start-ups. Mehr als 90 % entfielen auf Quantum Computing, den Rest teilten sich Quantenkommunikation und Quantensensorik. „Die Investitionen in Quantentechnologien sind in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Zugleich wachsen die Umsätze spürbar, teilweise um rund 20 bis 30 Prozent pro Jahr. Für ein Deep-Tech-Feld mit langen Entwicklungszyklen ist das ein starkes Signal “, betont Soller.

„Aus unserer Sicht spricht die Kombination aus zunehmender Professionalisierung, steigenden Umsätzen und Systemdesigns, die über bloße Testphasen hinausgehen, für eine neue Phase der kommerziellen Entwicklung. Der Markt bewegt sich weg von isolierten Pilotprojekten und hin zu breiter einsetzbaren Anwendungen “, beobachtet er. Seit geraumer Zeit gewinnen Quantensensoren über Forschung und Entwicklung hinaus an Terrain – ob bei der Messung elektrischer Felder, zur satellitenunabhängigen Navigation oder bei gravimetrischen Bodenuntersuchungen.

Letztere sind eine Domäne supraleitender Quanteninterferenzgeräte, den SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices). Sie reagieren hochsensibel auf Änderungen in der magnetischen Feldstärke, auch der des Erdmagnetfeldes, und zeigen so beispielsweise unterirdische Rohstofflager an. SQUIDs haben sich hier längst etabliert. Sie punkten vor allem durch ihre hohe Genauigkeit. Allerdings geht hohe Sensititivität meist mit hoher Störanfälligkeit einher und ihre supraleitenden Schaltkreise bedürfen kryogener Kühlung. Das bedeutet aufwändige Infrastruktur im Umfeld, macht den Einsatz komplex und schließt so manches aus.

In diese Lücke stoßen Quantensensoren vor, die auf NV-Zentren in Diamanten basieren. Sie zeigen Magnetfelder, mechanischen Stress oder Temperaturänderungen an. Durch ihre Einbettung in die Kohlenstoffgitterstruktur von Diamanten bringen sie eine Abschirmung gegen Störeinflüsse bereits mit. Mögliche Anwendungen reichen von der Strommessung über Medizintechnik und Navigation bis hin zur Qualitätsprüfung in der Halbleiterfertigung.

Sensoren auf dieser Basis lassen sich bei Zimmertemperatur betreiben, auf Chip-Level integrieren und vergleichsweise einfach in bestehende Prozesse integrieren. „Das macht diesen Ansatz hoch attraktiv. Rund 90 Prozent der Quantensensorik, die in Firmen existiert, basiert auf Stickstoff-Vakanz-Zentren“, schätzt Dr. Robert Staacke, Gründer und Geschäftsführer von Quantum Technologies, einer Ausgründung aus der Universität Leipzig. „Unser Fokus war und ist, Quantensensoren technologisch auf das Wesentliche zu reduzieren. So weit, dass sie in einem industriellen Umfeld einen echten Mehrwert gegenüber klassischer Sensorik bietet “, betont er.

Spitze aus Diamantenstaub

Nach eigenen Angaben übertrifft die Lösung des Leipziger Start-up Magnetfeldsensoren auf Halbleiterbasis sowohl in Leistung, als auch in Stabilität. „Unser Quantenstromsensor misst Magnetfelder, die Rückschlüsse auf Ströme, Positionen und kleinste Partikel in unterschiedlichsten Umgebungen zulassen. Er ist nicht nur deutlich robuster, sondern deckt auch einen Temperaturbereich ab, der dreimal größer ist als der etablierter Sensoren“, berichtet Staacke.

Ganz konkret arbeitet Quantum Technologies derzeit unter anderem an Stromsensoren zur Überwachung von Hochspannungsleitungen: Im Zuge des Netzausbaus entstehen immer mehr Hochspannungs-Gleichstrom-Trassen. Viele klassische Messmethoden fallen hier zur Überwachung aus, weil sie auf Wechselstrom ausgelegt sind oder den hohen Spannungen von bis zu einer Million Volt nicht stand halten. „Unsere rein optische, glasfasergebundene Sensorik hat kein Problem mit hohen Spannungen. Sie ist zudem galvanisch von der Hochspannungsebene entkoppelt“, so Staacke.

Gegenstand eines anderen Pilotprojekts ist zerstörungsfreie Prüfung an schwer zugänglichen Punkten, die klassische Sensoren nicht erreichen, weil sie schlicht zu groß sind. Hier kommt dem Sensor sein geringer Footprint zugute: Er benötigt nicht mehr Raum als Diamantstaub an der Spitze einer Glasfaser vom Durchmesser eines menschlichen Haares.

Um Komponenten sowohl für Quantum Computing als auch Quantum Sensing geht es dem australisch-deutschen Start-up Quantum Brilliance. Der gemeinsame technologische Nenner zwischen Computing und Sensing: NVZ in Diamant. Allerdings sollen sich diese Zentren nicht wie beim Bulk-Doping im Inneren hochreiner Diamanten verteilen, sondern oberflächennah in einer dünnen Diamantschicht, mit einer bis auf atomare Ebene exakt gesteuerten Position. „Wir wollen diese Technologie in einem monolithischen Design zum höchsten Grad miniaturisieren und in industriellem Maßstab produzierbar machen“, sagt Deutschland-Geschäftsführer Dr. Mark Mattingley-Scott. Der gebürtige Brite wechselte aus der Quantum Division von IBM Stuttgart zu Quantum Brilliance.

Qubits neben Silizium-Chips

Das Unternehmen will alle nötigen Kernkomponenten auf Chip-Größe schrumpfen und die Diamantschicht darin einbetten. „Diese Integration direkt auf dem Diamanten ist entscheidend für Miniaturisierung und Entwicklung robuster Quantenbauelemente und wesentliche Voraussetzung für eine Fertigung in hohen Stückzahlen“, betont Mattingley-Scott. Denn genau dies sei aktuell noch eine der größten Herausforderungen: das was theoretisch möglich ist, in einen industriellen, skalierbaren, effizienten Produktionsprozess umzusetzen.

Gefertigt werden soll der Diamanten-Chip in Prozessen ähnlich denen in der Halbleiterindustrie. „Wir streben eine Produktion für einen Massenmarkt an. Dieses Ziel werden wir sicher nicht morgen erreichen. Aber es ist realistisch und es ist Voraussetzung dafür, dass sich die kostenintensive Entwicklung eines Fertigungsprozesses am Ende rechnet“, weiß Mattingley-Scott aus Erfahrung. „Diamant ist derzeit das einzige Material, das in dieser Beziehung liefert.“

Der große Vorteil Diamanten-basierter Qubits im Computing: Anders als die bisher in Quantencomputern üblichen supraleitenden Schaltkreise müssen sie nicht auf kryogenem Temperatur-Level betrieben werden. In hybriden Systemen lassen sie sich unmittelbar neben etablierter Elektronik einsetzen.

Von Quantensensorik können jedoch auch halbleiterbasierte KI-Chips der nächsten Generation profitieren. Geballte Rechenleistung in kompaktem 2,5D- und 3D-Design lässt sie immer mehr in die Höhe wachsen. Damit gewinnen Fehlerquellen an Komplexität und können sich zudem an schwer zugänglichen Stellen im Inneren verbergen.

Weg aus der Messkrise

„Die Halbleiterindustrie läuft gerade in eine Messkrise“, sagt Dr. Fleming Bruckmaier, Mit-Gründer und CTO von Quantum Diamonds in München. „Die neuen Designtrends stellen die Fehleranalyse-Labore (FA) vor wirkliche Herausforderungen. Unser Quantenmikroskop, das den elektrischen Strom berührungslos und zerstörungsfrei durch das gesamte Chipgehäuse abbildet, ist deshalb nicht nur eine nette Ergänzung zum bestehenden Werkzeugkasten, sondern füllt eine Lücke, die sonst niemand schließen kann“, betont er.

Hauptzielgruppe der Münchner sind die FA-Labore großer Halbleiterhersteller und externer OSAT-Anbieter (Outsourced Semiconductor Assembly and Test). Dort sei der Schmerz am größten und der Return-on-Invest am klarsten zu beziffern. „Ein einziger gelöster Failure-Analysis-Fall kann Tage oder Wochen Analysezeit einsparen“, erklärt er. Gleichzeitig erreichen die Kosten eines übersehenen Fehlers in einem fortgeschrittenen Packaging-Prozess schnell einen siebenstelligen Bereich. „Neun der zehn größten Halbleiterhersteller der Welt sind bereits mit uns im Gespräch oder in aktiven Evaluierungen“, berichtet Bruckmaier.

Bislang nutzen FA-Labore vor allem indirekte Methoden wie Thermographie oder Photonenmessung. „Wir messen das Magnetfeld, das jeder fließende Strom zwingend erzeugt, und rekonstruieren daraus direkt das Strombild“, erklärt er. Magnetfelder durchdringen Verpackungsmaterialien, Moldmasse und Redistribution Layer ohne abgeschwächt zu werden. „Ein FA-Ingenieur sieht damit zum ersten Mal, wo in einem gestapelten 3D-Package der Strom wirklich fließt“, stellt er fest.

Quantum Diamonds arbeitet bereits am kommerziellen Einsatz seiner Lösung bei großen Halbleiterherstellern und am Hochlauf der neuen Produktionsstätte in München. „Wir wollen Quantenmesstechnik zu einem Standardwerkzeug in der Halbleiterindustrie machen“, sagt Bruckmaier. Die Chancen dafür stehen gut. Für den Aufbau seiner Fertigung konnte sich das Start-up bereits Investitionen und Fördergelder in dreistelliger Millionenhöhe sichern.