Alongside artificial intelligence, quantum technology is seen as one of the major technological fields of the future. Quantum sensor technology is an important area of this. What principles and technologies are behind the term and what is quantum sensor technology already doing in maritime applications today?

The term quantum sensor technology is used to distinguish it from conventional sensors and describes any sensor that utilises quantum physics principles. Magnetometry, the measurement of magnetic fields, is already an advanced area of quantum sensor technology. Two technologies dominate here: superconducting quantum interference devices (squids) and optically pumped magnetometers (OPMs), each with individual characteristics that need to be considered for a possible application.

Das Squid basiert auf der Ausnutzung quantenphysikalischer Effekte in supraleitenden Ringen. Diese Technologie befindet sich bereits seit Jahrzehnten im Einsatz, ist bewährt und weist eine beeindruckende Sensitivität auf. Die Rauschdichte, ein Maß für die Sensitivität und damit Leistungsfähigkeit des Sensors, erreicht bei Squids etwa das Tausendfache sogenannter Fluxgatesensoren, dem Standard der klassischen Magnetfeldsensoren. Allerdings wird der praktische Einsatz dieser Systeme durch technische Faktoren erschwert. Supraleiter müssen auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden. Um diese Betriebstemperaturen sicherzustellen, ist ein großer technischer Aufwand notwendig – etwa für Kryotechnik, wärmeisolierte Gehäuse und Bereitstellung kontinuierlichen verbflüssigter Kühlgase. Während die eigentliche Sensoreinheit eines Squids recht kompakt ist, sind die Gesamtsysteme durch diese Anforderungen vergleichsweise schwer, groß und anspruchsvoll im Betrieb. Entsprechend sind Einsätze überwiegend in ortsfesten Anlagen oder Probierstätten möglich, ein mobiler Einsatz ist jedoch ebenfalls möglich.

Allerdings gibt es auch in diesem Bereich eine stetige Weiterentwicklung. Um die Nachteile der Kryotechnik zu reduzieren, ist etwa die Nutzung von Hochtemperatur-Supraleitern möglich, wobei Hochtemperatur eine typische Betriebstemperatur von circa minus 200 Grad Celsius beschreibt.

Insgesamt sind Squids leistungsstarke und bewährte Instrumente für die Magnetfeldmessung. Der mit der Kühlung verbundene hohe technische Aufwand bleibt jedoch ein grundsätzlicher Nachteil dieser Systeme.

Optisch gepumpte Magnetometer bezeichnen Sensoren, bei welchen die Spin-Präzession in einem Atom-Dampf zur Magnetfeldmessung genutzt wird. Die Anwendung dieser Technologie beschränkte sich lange Zeit auf den Forschungsbereich, seit einigen Jahren sind nun jedoch auch kommerzielle Systeme erhältlich, welche diese Sensoren einem breiteren Anwenderkreis verfügbar machen. OPMs erreichen im wissenschaftlichen Laboraufbau enorm hohe Sensitivitäten, vergleichbar etwa einem Millionstel des Magnetfelds, welches vom menschlichen Herzen verursacht wird. Sie stellen damit die derzeit sensitivste Magnetometer-Technologie dar.

Jedoch sind diese oft zu leistenden Rekordwerte für den Anwender selten relevant. Sensoren dieser Art basieren auf Nutzung des sogenannten Stern-Regimes, welches ein sehr niedriges äußeres Magnetfeld erfordert. Eine Bedingung, welche im wissenschaftlichen Labor gezielt herbeigeführt werden kann, für die „echte Welt“ aber als realitätsfern zu bezeichnen ist. OPMs, deren Funktionsprinzip auch im Erdmagnetfeld eingesetzt werden kann, weisen aber noch immer eine deutliche höhere Sensitivität als klassische Sensoren auf.

Da OPMs mit nur wenigen Zentimeter Größe sehr kompakt ausgeführt werden können und hochsensitiv und unkompliziert im Betrieb sind (üblich ist ein Anschluss über USB), ist in den letzten Jahren ein vermehrtes Interesse an diesen Sensoren zu erkennen. Zunehmend werden sie mittlerweile als Alternative zu Squids diskutiert. Zu beachten ist jedoch, dass OPMs gewissen Einschränkungen unterliegen, insbesondere weisen sie eine geringere dynamische Bandbreite auf.

Die Zukunft: Made in Germany

Während viele Quantensensoren im abgeschirmten Labor eine hervorragende Leistungsfähigkeit demonstrieren, werden diese außerhalb solcher Umgebungen vor Herausforderungen gestellt. Diesbezüglich gelten NV-Zentren in Diamanten als besonders aussichtsreich. Bei dieser Technologie werden Stickstoff-Fehlstellen (engl.: nitrogen-vacancy) in einem Diamantkristall, die sogenannten NV-Zentren, für die Magnetometrie genutzt.

Diese Sensorart zeichnet sich durch eine hohe Robustheit gegenüber großen Feldänderungen, Störfeldern oder Umwelteinflüssen aus. Zudem kann das Sensorelement auf mikroskopische Skalen verkleinert werden, was Pixelsensoren ermöglichen würde. Jedoch sind die mit NV-Zentren erreichten Sensitivitäten noch nicht vollauf zufriedenstellend und nicht konkurrenzfähig mit Squids oder OPMs. Da es sich hierbei um eine noch vergleichsweise junge Technologie handelt und vielversprechende Ansätze zur Leistungssteigerung erarbeitet wurden, sollte dies jedoch nicht über das vorhandene Potenzial hinwegtäuschen. Erwähnenswert ist, dass deutsche Forschungsinstitute im Bereich der NV-Magnetometrie als führend gelten.

Nun stellt sich die Frage der Relevanz dieser Sensortechnologien für den maritimen Bereich. Die Detektion magnetischer Signaturen von Unterwasserfahrzeugen ist zunächst kein neues Thema. Durch die Entwicklung der bereits erwähnten Fluxgate-Sensoren in den 1930er-Jahren wurden die magnetischen Anomalie-Detektionen (MAD) ermöglicht. Ein ferromagnetischer Körper weist im Erdmagnetfeld eine Eigenmagnetisierung auf, welche das Erdmagnetfeld überlagert und verändert. Daneben treten auch weitere magnetische Signaturen, hervorgerufen etwa durch Antriebsmaschinen oder Korrosionsströme, auf. Diese Veränderung wird bei der MAD durch Magnetfeld-Sensoren aufgefasst.

Da die magnetische Störung lokal begrenzt ist und schnell mit der Entfernung abfällt, ist die Reichweite jedoch gering. Auch technische Fortschritte, etwa die Verwendung von nicht magnetischem Stahl, ließ die Bedeutung der MAD in den Hintergrund rücken. Hier könnte mit der höheren Sensitivität von Quantensensorik zwar eine gewisse Leistungssteigerung erzielt werden, die grundlegende Problematik der begrenzten Reichweite lässt sich jedoch auch mit Quantentechnologie nicht lösen.

Ein anderer Aspekt wurde bei der magnetischen Detektion jedoch bisher wenig beachtet. Durch den Debye-Effekt sowie magneto-hydrodynamische Effekte wird in bewegten Flüssigkeiten und unter bestimmten Bedingungen eine magnetische Signatur erzeugt.
Bei Betrachtung der Situation im Kielwasser von Seefahrzeugen stellt man fest, dass die Bedingungen für das Auftreten dieser Effekte prinzipiell erfüllt sind.

Somit ist zu erwarten, dass das Kielwasser eines sich durch das Meerwasser bewegenden Seefahrzeugs eine magnetische Signatur aufweist, welche auch für Geschwindigkeit und Bauform charakteristische Merkmale beinhalten könnte.

Diese Signaturen sind jedoch klein und waren bisher aufgrund der begrenzten Sensitivität der Magnetfeldsensorik von geringer Relevanz.

Mit der deutlich höheren Leistungsfähigkeit der Quantensensorik rückt nun jedoch die Detektion dieser physikalischen Effekte in greifbare Nähe, womit sich neue Ansätze zur Detektion von Unterwasserobjekten ergeben würden.

Da das Kielwasser eine Ausdehnung von mehreren Kilometern erreichen kann, wären magnetische Signaturen von Unterwasserobjekten – wenn auch indirekt – über deutlich größere Entfernungen detektierbar, wodurch eine enorme Steigerung der Flächensuchleistung erzielt werden könnte.

Im Gegensatz zur bereits heute üblichen akustischen Detektion des Kielwassers, welche meist auf der Blasenspur im Kielwasser beruht, wäre eine solche magnetische Signatur auch außerhalb des Wassers messbar und auch bei langsamem getauchten Objekten vorhanden.

Ein leistungsfähiges Sensorsystem erfordert jedoch mehr als nur sensitive Sensoren. Um eine magnetische Kielwasser-Signatur von natürlichen Effekten wie Seegang oder magnetischem Hintergrundrauschen unterscheiden zu können, ist eine umfassende Signalverarbeitung sowie ein Verständnis der gesuchten Signatur unumgänglich. Bei genauer Betrachtung stellt sich das Kielwasser als sehr komplexes System dar. Oberflächenwellen, turbulente Anteile oder Wellen innerhalb der Wassersäule treten zusammen auf und überlagern sich. Diese Mechanismen zu verstehen, mögliche Signaturen zu identifizieren und die Größenordnung dieser Effekte abzuschätzen, ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeit.

In neuerer Zeit ist zu dieser Thematik eine rege Publikationsaktivität insbesondere von chinesischen Universitäten zu verzeichnen, welche sich mit der numerischen Simulation und Vorhersage von magnetischen Kielwassereffekten beschäftigen.

In diesem Zusammenhang sei auch auf Berichte über die Entwicklung eines Quantensensors in China hingewiesen, welcher, so die Behauptung, die magnetische Signatur von U-Booten über große Entfernung detektieren könne.

Quantensensorik in der Navigation

Ein weiterer maritimer Bereich, in dem die Nutzung von Quantentechnologie neue Möglichkeiten eröffnen könnte, ist die Navigation. Mit Quantensensoren lassen sich Beschleunigungen hochpräzise messen. Hier dominiert derzeit das Konzept, Beschleunigungen durch Interferometrie mit Materiewellen aus kalten Atomen (oder sogenanntem Bose-Einstein-Kondensat) zu erfassen. Daneben existieren aber auch noch andere Ansätze, wie die Ausnutzung der Spin-Präzession von Atomen – ähnlich wie es bei OPMs für die Magnetfeldmessung umgesetzt wird.

Während diese Technologie zunächst akademisch erscheinen mag, ist der mögliche Nutzen von unmittelbar praktischer Bedeutung. Satellitenbasierte Navigation (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) ist zum selbstverständlichen Standard geworden. Unter Wasser, wo Satellitensignale nicht empfangbar sind, oder bei einer gezielten Störung von GNSS, wie es in der Ostsee in den letzten Jahren regelmäßig zu beobachten war, finden Inertial-Navigations-Systeme (INS) Anwendung. Diese zeichnen Beschleunigung und Rotation eines Fahrzeugs auf, um daraus die zurückgelegte Strecke zu berechnen. Zusammen mit einem bekannten Startort ergibt sich dabei eine Schätzung des aktuellen Orts. Langzeitdrifte machen die Ortsbestimmung mit zunehmender Dauer und zurückgelegter Entfernung jedoch unsicherer.

Hier könnte Quantensensorik einen Beitrag leisten, da diese als driftstabiler gilt und eine zusätzliche gravitationsbasierte Positionsschätzung ermöglichen könnte. Allerdings weisen quantenbasierte Beschleunigungssensoren oft eine vergleichsweise niedrige Bandbreite auf, können also schnelle oder starke Beschleunigungsänderungen nicht zuverlässig detektieren – eine Limitierung, welche bei klassischen Sensoren kaum Probleme bereitet. Daher ist die Quantennavigation zum jetzigen Zeitpunkt als sinnvolle Ergänzung der klassischen Inertialnavigation zu sehen, wobei der Umfang der erzielbaren Leistungssteigerung noch offen ist.

Diese Technologie befindet sich bereits auf dem Weg aus den Laboren in die maritime Welt. So wird beispielsweise in einer Kooperation von britischer Marine und Universitäten ein auf kalten Atomen beruhender Beschleunigungssensor erprobt.

Sind Quantensensoren somit als eine Revolution anzusehen, die bisherige Verfahren, Technologien und Erfahrungen obsolet macht? Diese Frage ist nach jetzigem Kenntnisstand wohl zu verneinen. Jedoch stellen Quantensensoren einen evolutionären nächsten Schritt dar, welcher großes Potenzial für Leistungssteigerung birgt und neue Möglichkeiten eröffnen könnte.

Aus diesem Grund hat die Wehrtechnische Dienststelle 71 in ihrem Forschungsprogramm 2024/25 die Quantensensorik als neues Forschungsthema aufgenommen, um das Potenzial dieser Technologie für maritime Anwendungen systematisch zu untersuchen. Damit wird ein technologischer Trend aufgegriffen, an deren Anwendung im maritimen und militärischen Sektor weltweit zunehmend gearbeitet wird.

Dr. Martin Rosner hat an der TU München im Bereich der Magnetometrie promoviert und ist als Dezernent im Geschäftsfeld Zentrum für Wasser-, Körper- und Luftschall der WTD 71 tätig. Dort bearbeitet er das Themengebiet der Quantensensorik und deren Anwendung im maritimen Umfeld.

Martin Rosner