Nobelpreis für Physik 2025: Quantenmechanik vom Mikro- zum Makrokosmos

Genau 100 Jahre nach der Entdeckung der Quantenmechanik wurden mit dem Nobelpreis für Physik 2025 drei amerikanische Wissenschaftler geehrt, die demonstrierten, dass seltsame Quanteneffekte in großem Maßstab auftreten können, und damit eine neue Ära für die Quantentechnologie einleiteten.

Die Wissenschaftler John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis wurden am 7. Oktober auf einer Pressekonferenz in Stockholm von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften als Gewinner des diesjährigen Nobelpreises für Physik bekanntgegeben. – Foto: REUTERS

Im Jahr 1925 entdeckten die Physiker Heisenberg, Schrödinger und Dirac die Quantenmechanik – eine seltsame Entdeckung, die die Welt verändern sollte.

Exakt 100 Jahre später wurde der Nobelpreis für Physik 2025 an drei amerikanische Physiker verliehen, die den Quantentunnel-Effekt – einen seltsamen mikroskopischen Quanteneffekt – in die makroskopische Welt einführten und damit viele bahnbrechende Anwendungen ermöglichten.

Es ist großartig, die Art und Weise feiern zu können, wie die jahrhundertealte Quantenmechanik immer wieder neue Überraschungen bereithält. Sie ist auch unglaublich nützlich, denn die Quantenmechanik ist die Grundlage aller digitalen Technologien .

Olle Eriksson (Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, im Gespräch)

Bahnbrechende Entdeckung des Tunneleffekts

Drei amerikanische Physiker, John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis, wurden laut der Mitteilung des Nobelkomitees mit dem Nobelpreis für Physik 2025 für „die Entdeckung makroskopischer Quantentunnel-Effekte und der Energiequantisierung in elektrischen Schaltkreisen“ ausgezeichnet.

Mit dem diesjährigen Preis wird eine Reihe von Experimenten gewürdigt, die sie 1984 und 1985 an supraleitenden Schaltkreisen durchführten und die zeigten, dass das „Tunneln“ – das Phänomen, dass Teilchen Barrieren durchdringen, das nur in der Quantenmechanik auftreten kann – auf viel größeren Skalen möglich ist als bisher angenommen.

Professor John Clarke, der 1968 an der Universität Cambridge promovierte, ist seit 1969 Professor für Physik an der University of California, Berkeley. Derzeit ist er Professor Emeritus an der Graduiertenschule der Universität.

Michel H. Devoret, geboren in Paris, wo er auch promovierte, ist emeritierter Professor für angewandte Physik am Yale Quantum Institute der Yale University.

John M. Martinis hat einen Doktortitel der University of California, Berkeley. Nach seiner Lehrtätigkeit an der Universität arbeitete er zuletzt in der Quanten-KI-Gruppe von Google.

Mitte der 1980er Jahre trat Herr Devoret zusammen mit seinem Doktoranden Martinis als Postdoktorand in die Forschungsgruppe von Herrn Clarke ein. Gemeinsam nahmen sie die Herausforderung an, den Quantentunnel-Effekt auf makroskopischer Ebene nachzuweisen.

In ihren Experimenten bauten die drei Wissenschaftler Schaltkreise aus Supraleitern, die elektrischen Strom widerstandsfrei leiten konnten. Durch die Anpassung und Messung der Eigenschaften der Schaltkreise konnten sie die auftretenden Phänomene steuern. Geladene Teilchen, die sich durch den Supraleiter bewegten, bildeten ein System, das sich so verhielt, als wären sie ein einzelnes Teilchen, das den gesamten Schaltkreis ausfüllte.

Dieses System von Partikeln befindet sich anfänglich in einem Zustand, in dem Strom ohne Spannung fließt, als ob er durch eine unüberwindbare Barriere blockiert würde.

Im Experiment demonstrierte das System Quanteneigenschaften, indem es diesen Zustand durch den Quantentunnel-Effekt verließ. Die drei Wissenschaftler zeigten außerdem, dass das System quantisiert war, d. h., es absorbierte oder emittierte nur bestimmte Energiemengen.

Illustration des quantenmechanischen Tunneleffekts: Wirft man einen Ball gegen eine Wand, prallt er ab. Wirft man jedoch ein mikroskopisch kleines Teilchen, durchdringt es die Wand. Dieser Effekt nimmt bei einer großen Anzahl von Teilchen in der Regel ab, weshalb wir im Alltag nie beobachten, dass jemand durch eine Wand geht. – Foto: JOHAN JARNESTAD/Schwedische Akademie der Wissenschaften

Den Weg für die Quantentechnologie ebnen

Das Experiment hat wichtige Konsequenzen für das Verständnis der Quantenmechanik. Bisher beruhten makroskopische quantenmechanische Effekte auf dem Zusammenwirken vieler mikroskopischer Teilchen, die Phänomene wie Laser, Supraleiter und Supraflüssigkeiten hervorriefen. Die Experimente der diesjährigen Nobelpreisträger für Physik erzeugten jedoch einen direkten makroskopischen Effekt.

Dieser makroskopische Quantenzustand eröffnet neue Möglichkeiten für Experimente, die Phänomene der mikroskopischen Welt erforschen. Man kann ihn sich als eine Art künstliches Atom im großen Maßstab vorstellen, das zur Simulation und zum besseren Verständnis anderer Quantensysteme dient.

Eine wichtige Anwendung war der Quantencomputer, den Martinis später realisierte. Er nutzte genau die Energiequantisierung, die er und seine beiden Nobelpreisträgerkollegen bereits demonstriert hatten, und verwendete dafür Schaltkreise mit quantisierten Zuständen als Quantenbits oder Qubits, wobei der niedrigste Energiezustand 0 und der höchste 1 war.

Supraleitende Schaltkreise gehören zu den Techniken, die beim Bau von Quantencomputern erforscht werden. Martinis leitete von 2014 bis 2020 die Forschungsgruppe für Quantencomputing bei Google.

Herr Clarke sagte, ihre Forschung habe den Weg für technologische Fortschritte geebnet, wie beispielsweise die Entwicklung von Mobiltelefonen. Das Nobelkomitee bestätigte dies ebenfalls: „Es gibt heute keine fortschrittliche Technologie, die nicht auf der Quantenmechanik basiert, darunter Mobiltelefone, Kameras und Glasfaserkabel.“

Wenn Physik und Chemie im Quantentunnel aufeinandertreffen

Der Physik-Nobelpreis 2025 wurde an drei Wissenschaftler für ihre Entdeckungen in der Quantenmechanik vor 40 Jahren verliehen. Dieses Ergebnis ist wenig überraschend, da die UNESCO das Jahr 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt hat.

Das Nobelkomitee erklärte: „Die Quantenmechanik ist die Grundlage aller digitalen Technologien… Ihre Experimente legten den Grundstein für neue technologische Fortschritte, die auf Quantenprinzipien beruhen.“

Diese drei Physiker entdeckten den Tunneleffekt und bestimmten die Energiesprünge in elektrischen Schaltkreisen. Der Tunneleffekt wurde bald zu einem zentralen Konzept für die Erklärung vieler chemischer Reaktionen.

Man kann sich das so vorstellen wie bei der Durchfahrt des Hai-Van-Passes: Die Reaktanten müssen oft mit sehr hoher Energie den Pass „erklimmen“, aber manchmal „gehen sie durch den Tunnel“ und überwinden die Energiebarriere schneller, um eine Reaktion auszulösen.

Der Tunneleffekt wird in Lehrbüchern der chemischen Kinetik auf Universitätsniveau gelehrt und bei der Berechnung von Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten mithilfe quantenmechanischer Methoden modelliert. Physik und Chemie ergänzen sich hier einmal mehr auf wunderbare Weise.

Prof. Nguyen Minh Tho – Honorarprofessor an der KU Leuven Universität, Belgien

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DR. NGUYEN TRUNG DAN

Quelle: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm