Nobelpreis für Physik 2025: Wenn die „Quantenwelt“ sichtbar wird

Lange Zeit galt die Quantenwelt als ein „seltsamer“ Raum, in dem Teilchen Hindernisse durchdringen, gleichzeitig in zwei Zuständen existieren und allen Gesetzen der menschlichen Intuition trotzen können. Doch dem Wissenschaftlertrio John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis ist es gelungen, das, was bisher nur in mikroskopischen Laboren zu existieren schien, greifbar zu machen – direkt in einem mit bloßem Auge sichtbaren Stromkreis.

Am 7. Oktober wurden drei Wissenschaftler (John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis) mit dem Nobelpreis für Physik 2025 für „die Entdeckung quantenmechanischer Tunneleffekte auf makroskopischer Ebene und die Quantisierung der Energie in elektrischen Schaltkreisen“ ausgezeichnet. Sie teilen sich den mit 11 Millionen Schwedischen Kronen (umgerechnet 1,17 Millionen US-Dollar) dotierten Preis.

Die Quantenmechanik regelt die mikroskopische Welt der Atome und Elektronen – wo Elektronen Energiebarrieren „durchdringen“ können und Energie nur in festen Mengen, sogenannten Quanten, absorbieren.

Auf der makroskopischen Ebene der menschlichen Welt scheinen diese Effekte zu verschwinden. Beispielsweise könnte eine Kugel, die aus unzähligen Atomen besteht, niemals eine Wand durchdringen.

Neugierig geworden, begannen in den 1980er Jahren an der University of California drei Wissenschaftler – Clarke, Devoret und Martinis – zu testen, ob Quantengesetze in einer Größenordnung existieren, die groß genug ist, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein.

Um dies zu testen, entwickelten sie einen Josephson-Kreis – zwei Supraleiter, die durch eine ultradünne Isolierschicht getrennt sind. In einem normalen Metall stoßen Elektronen mit dem Material und untereinander zusammen, in einem nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlten Supraleiter hingegen bilden sie Cooper-Paare, die sich widerstandsfrei synchron bewegen und eine gemeinsame Quantenwellenfunktion besitzen.

Als das Team den Schaltkreis auf Nullspannung hielt, hätte er sich laut klassischer Physik nicht bewegen dürfen. Die Forschung zeigte jedoch, dass der Schaltkreis manchmal plötzlich „entweicht“ – nicht aufgrund von Wärme, sondern dank Quantentunnelns durch die Energiebarriere. Dies war der erste direkte Beweis dafür, dass Quantengesetze auch in der makroskopischen Welt gelten.

Als die drei Wissenschaftler den Schaltkreis anschließend Mikrowellen aussetzten, beobachteten sie scharfe Resonanzspitzen bei bestimmten Frequenzen. Jede Spitze entsprach der Energielücke zwischen zwei quantisierten Zuständen, was darauf hindeutete, dass die Energie des Schaltkreises nur diskrete Werte annehmen konnte. Mit anderen Worten: Ein aus Milliarden von Elektronen bestehendes Bauelement verhielt sich wie ein einzelnes Quantensystem.

Vor diesem Experiment waren Quantentunnel- und Energiequantisierungseffekte nur bei Atomen und subatomaren Teilchen beobachtet worden.

Frau Eva Olsson – Mitglied des Nobelkomitees – würdigte die Forschungsarbeit des Wissenschaftlertrios John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis als „Öffnung der Tür zu einer anderen Welt“.

„Wenn Quantenphänomene auf die makroskopische Ebene gebracht werden, können wir sie berühren, kontrollieren und beobachten – das öffnet die Tür zu völlig neuen Strukturen und Technologien“, sagte sie.

Unterdessen bezeichnete Herr Olle Eriksson, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, dies als Beweis dafür, dass die Quantenmechanik äußerst nützlich sei und die Grundlage aller gegenwärtigen digitalen Technologien bilde.

Die Entdeckungen der drei Wissenschaftler Clarke, Devoret und Martinis legten den Grundstein für Quantencomputer.

In den späten 1990er Jahren entwickelten Wissenschaftler Quantenbits (Qubits) – Einheiten der Quanteninformation – basierend auf dem Energieprinzip, das von dem Pioniertrio demonstriert worden war.

Später wandte Herr Martinis diese Methode an, um den ersten supraleitenden Quantenprozessor zu entwickeln, bei dem Qubits in einer ausgeklügelten Quantenüberlagerung fein zwischen „0“ und „1“ oszillieren können.

Laut Nobelkomitee ist der Transistor in den heutigen Computer-Mikrochips ein Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik zur Grundlage für alltägliche Technologien geworden ist und damit den Grundstein für die nächste Generation von Quantentechnologien gelegt hat, darunter Quantenkryptographie, Quantencomputer und Quantensensoren.

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