Wir wollen Quantensensorik machen
Quantensensorik ist ein komplexes Thema und ruft auf den Gesichtern große Fragezeichen hervor. Was sind Quanten überhaupt? Wie kann ich Quantensensorik anwenden und wozu ist das nützlich? Wir von QOOOL glauben an die transformative Kraft der Quantentechnologie und setzen uns dafür ein, das Verständnis an dieser faszinierenden Technologie zu fördern. Unser Ziel ist es, die Begeisterung für Quantentechnologien zu wecken, Wissen zu verbreiten und innovative Anwendungen zu entwickeln, die das Potenzial der Quantensensorik voll ausschöpfen und auch im Bildungsbereich nutzbar machen. Mit Sensor-Kits und interaktiven Lehr- und Lernmaterialien wird die Welt der Quanten im Unterricht, Studium oder für eine breite Öffentlichkeit erlebbar.
Unsere Partner
Reedu GmbH & Co. KG
Die Reedu GmbH & Co. KG aus Münster ist ein Start-Up, das aus dem BMBF-geförderten senseBox-Projekt entstand. Reedu stellt die senseBox her, einen Mikrocontroller zur Erhebung von Umweltdaten. Das Unternehmen fokussiert sich auf offene Sensorik-Systeme für Endverbraucher und den Bildungsmarkt. Mit Open Source-Komponenten entstehen vielfältige Produkte für Bürger, Studierende und Schüler, die eine Teilnahme an Citizen Science ermöglichen. Reedu entwickelt Prototypen, Treiber- und Begleitsoftware für IoT-Produkte sowie effektive Bildungslösungen im MINT-Bereich und organisiert Workshops und Fortbildungen für Lernende und Lehrende.
Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft
Das Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft in Stuttgart arbeitet seit über 20 Jahren an der Mikrointegration komplexer, miniaturisierter Systeme. Kernkompetenzen liegen in Technologien für räumliche Schaltungsträger und Mikrostrukturen sowie in der Verbindungstechnik, die für die Integration von Sensoren in anspruchsvollen Umgebungen genutzt wird. Im BMBF-Zukunftscluster QSens forscht Hahn-Schickard zur Verkapselung von Quantensensoren und zum Wärmemanagement von Magnetfeldsensoren. Im Projekt QOOOL Sensing entwickelt das Institut das Quantensensor-Modul, das Herzstück des QOOOL Kits.
Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik
Das Institut für Intelligente Sensorik und Theoretische Elektrotechnik (IIS) erforscht und implementiert neue Sensorkonzepte. Neben der Verbesserung klassischer Sensoren liegt der Fokus auf miniaturisierten Anrege- und Auslesekonzepten für Quantensensoren. Nach Erfahrung in der Miniaturisierung der Kern- und Elektronenspinresonanz arbeitet das IIS an CMOS-integrierten Mikrowellenanregekonzepten und ultrarauscharmen Ausleseschaltungen für Festkörperquantensensoren wie NV-Zentren und Siliziumfehlstellen in SiC. In der Lehre ist das IIS für Elektrodynamik und Sensor- sowie Messtechnik zuständig und betreut das Praktikum „Build your own MRI“.
Abteilung Physik und ihre Didaktik
Die Abteilung „Physik und ihre Didaktik“ am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart verbindet Fachwissenschaft und Schule. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf der Entwicklung neuer Lehrkonzepte für moderne Physik, dem Übergang von der Schule zur Hochschule im Lehramtsstudium, neuen Demonstrationsexperimenten für den Unterricht sowie digitalen Angeboten für Lehrende. In der Lehre fokussiert sich die Abteilung auf die fachdidaktische Ausbildung von Physiklehrkräften mit Schwerpunkt auf physikalischen Experimenten. Im QOOOL-Projekt bringt sie ihre Expertise in Experimenten und Didaktik ein, die im Schülerlabor „Spiel der Kräfte“ erprobt und weiterentwickelt werden.
Assoziierte Partner
LernortLabor – Bundesverband der Schülerlabore e.V.
LernortLabor – Bundesverband der Schülerlabore e.V. (LeLa) ist der Dachverband der Schülerlabore im deutschsprachigen Raum. Als Schnittstelle zu Politik, Wirtschaft und Wissenschaft fördert LeLa den Ausbau des Netzwerks als festen Bestandteil des Bildungssystems. Ziel ist die Stärkung der Schülerlabore und die Verbreitung ihrer besonderen Lernkultur:eigenständiges, entdeckendes und forschendes Lernen. Die über 500 registrierten Schülerlabore erreichen jährlich mehr als 1,3 Millionen Kinder und Jugendliche und decken Themen von Berufsorientierung bis Wissenschaftskommunikation ab.
Unsere Vision:Quantensensorik für alle
Sensoren begegnen uns überall im Alltag und haben an vielen Stellen Einzug in unsere Leben erhalten. Moderne Sensoren, die auf Quantentechnologien basieren, erlauben Messungen mit ungeahnter Präzision am physikalischen Limit und ermöglichen so Zugänge zu bisher unbekannten Gebieten. Quantentechnologie ist zwar hoch funktional, aber sie ist vor allem eines:Teuer! Ein Grund dafür ist, dass Diamanten als Hauptspeicher von Quanten verwendet werden. Der Großteil der Bevölkerung hat daher bisher keine direkten Berührungspunkte mit Quantentechnologie wie der Quantensensorik, es bleibt ein abstraktes und komplexes Phänomen. Das wollen wir ändern:Mit kostengünstiger Hardware und didaktischem Material als Open Educational Resources (OER) möchten wir durch einen niedrigschwelligen Zugang breite Bevölkerungsschichten für die Quantentechnologien sensibilisieren und begeistern.
Entwicklung des QOOOL-Kits
Die Chips die Quantencomputing ermöglichen
Im Rahmen des Projekts QOOOL Sensing soll ein robuster Magnetfeldsensor entwickelt werden, der für unterschiedliche Zielgruppen einen niederschwelligen Zugang zur Quantensensorik ermöglicht. Der Sensor basiert auf gezielt eingebrachten Defekten in Diamanten und erlaubt eine hochgenaue Messung von Magnetfeldern. Dadurch soll erstmalig ein kompaktes und kostengünstiges NV-Quantenmagnetometer (NV=Nitrogen-Vacancy) in Form eines Sensorik-Kits (QOOOL Kit) für Bildungszwecke, insbesondere im MINT-Bereich, entwickelt werden. Ein integriertes NV-Magnetometer in Form einer miniaturisierten Sensorzelle wird dann dazu genutzt, Magnetfeldmessungen durchzuführen und diese Beobachtungen als Open Data im Web bereitzustellen. Die einzelnen Komponenten des Kits werden so gestaltet, dass die Teilfunktionen nachvollziehbar sind und ihr Einfluss auf die Gesamtfunktion des Sensors, z.B. durch Konfigurationsoptionen, praktisch erfahrbar ist. Durch die Anbindung an die senseBox als Mikrocontroller zur Untersuchung von Umweltphänomenen entsteht ein Rund-um-Paket mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.
Didaktische Konzepte
Neben dem Aufbau des QOOOL-Kits entstehen praktische und interaktive Lehrmaterialien, die die Nutzung des Sensors im Unterricht, Studium, aber auch ganz allgemein für eine breite Öffentlichkeit aufzeigen. Die (medien-)didaktisch reduzierte Aufarbeitung des QOOOL Kits sowie die Anbindung an die senseBox wird durch eine interaktive Web-Anwendung, eine Online-Lehrerfortbildung und weitere Outreach-Aktivitäten, wie Makeathons, Hackathons, Workshops etc. umgesetzt. Projektideen, Experimentieranleitungen sowie didaktisches Unterrichtsmaterial für den MINT-Bereich werden unterstützend als OER bereitgestellt. So soll ein breiter Einsatz für die Bereiche der Digitalen Bildung sowie in den Bürgerwissenschaften geschaffen und durch die gemeinschaftliche Entwicklung von weiteren Bildungsmaterialien ein Netzwerk mit einer kreativen Community aufgebaut werden.
Die senseBox-MCU S2 mit dem QOOOL-Kit
Simulator
Die webbasierte Anwendung soll an die visuelle Programmierumgebung „Blockly für senseBox“ angebunden sein und Programmcodes nicht nur an die senseBox-Hardware, sondern auch an einen Simulator übertragbar machen. In einer visuellen Simulation als grafische Darstellung des QOOOL-Kits und des senseBox-Microcontrollers kann die Funktionsweise und die Umsetzung des Programmcodes visuell ansprechend und nachvollziehbar dargestellt werden. Mit der interaktiven Lernsoftware sollen die o.g. Funktionsweise und der Aufbau eines NV-Magnetometers als Quantensensor sowie das Zusammenspiel aus dessen Einzelkomponenten anschaulich erklärt werden.
Förderung
