Mit nie dagewesener Präzision gelten Quantensensoren als Technologiesprung für die Biomedizin. Immer mehr Start-ups arbeiten daran, dieses Potenzial aus dem Forschungslabor in die medizinische Anwendung zu bringen. Doch ist es oft schwierig, die den Erfolg der Vermarktung für die einzelne Technologie vorherzusagen. Gemeinsam erarbeiteten Wissenschaftler*innen der Harvard Universität (USA) und der Technischen Universität Braunschweig daher eine Übersicht zu verschiedenen Quantensensoren und wie diese konkret Anwendung finden können. Den interdisziplinären und anwendungsorientierten Artikel veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Nature Review Physics.
Neben Quantencomputern und -kommunikation gehören Quantensensoren zu den Zugpferden der neuen Quantentechnologien. Gezielt nutzen sie Quanteneffekte, um die Grenzen des Messbaren zu verschieben. Diese Sensoren, die so klein wie einzelne Atome sein können, heben gleich eine ganze Reihe von biomedizinischen Messmethoden auf ein neues Level. Die Wissenschaftler*innen der Harvard Universität und des Instituts für Physik der Kondensierten Materie der TU Braunschweig haben verschiedene Quantensensoren in einer Veröffentlichung zusammengebracht: Sie vermessen magnetische Felder, zeichnen Gehirnaktivitäten auf, finden einzelne Biomarker, vermessen einzelne Zellen oder verfolgen temperaturabhängige biologische Prozesse in diesen.
Als Erst-Autor ist der Braunschweiger Juniorprofessor Nabeel Aslam Experte für Quantensensoren im Diamanten, einem der Schwerpunkte der Veröffentlichung. Mit seiner Forschung nimmt er die magnetischen Felder ins Visier, die durch die Kernspinresonanz der einzelnen Atome entstehen. Mit den Sensoren aus Aslams Arbeitsgruppe könnten Biomediziner*innen zukünftig Stoffwechsel sowie Krankheiten in einzelnen Zellen untersuchen und sogar einzelne Proteine nachweisen. Gerade sogenannte Membranproteine sind das Ziel der meisten zugelassenen Medikamente. Eine Echtzeit-Erfassung der Bindung von Protein und Molekül würde die Entwicklung solcher Arzneien stark beschleunigen.
Exzellente Bedingungen
Erst kürzlich erhielt Nabeel Aslam eine Förderung in fünf Millionen Euro durch das Bundesforschungsministerium, um Quantensensoren im Diamanten zur Marktreife zu bringen. Als Mitglied im Exzellenzcluster QuantumFrontiers und im Rahmen des Quantum Valley Lower Saxony forscht er zudem in einem Netzwerk exzellenter Forschung an den Grenzen des Messbaren und einer Region, die im großen Maßstab Quantentechnologien in die Anwendung bringt.qu
Publikation
Aslam, N., Zhou, H., Urbach, E.K. et al. Quantum sensors for biomedical applications. Nat Rev Phys 5, 157–169 (2023). https://doi.org/10.1038/s42254-023-00558-3