Nobelpreis für Physik 2025: Quantenmechanik vom Mikro- bis zum Makrobereich

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

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

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

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

Es ist großartig, die jahrhundertealte Quantenmechanik zu feiern, die immer wieder neue Überraschungen hervorbringt. Und es ist unglaublich nützlich, denn die Quantenmechanik ist die Grundlage aller digitalen Technologien .

Olle Eriksson (Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, spricht)

Bahnbrechende Entdeckung des Tunneleffekts

Drei amerikanische Physiker, John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis, wurden laut der Ankündigung des Nobelkomitees mit dem Nobelpreis für Physik 2025 für „die Entdeckung makroskopischer Quantentunneleffekte 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 durchgeführt haben. Dabei zeigten sie, dass „Tunneleffekt“ – das Phänomen, bei dem Teilchen Barrieren durchdringen, die nur in der Quantenmechanik auftreten können – in viel größeren Maßstäben auftreten kann 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 emeritierter Professor der Graduate School der Universität.

Michel H. Devoret, in Paris geboren und dort promoviert, ist emeritierter Professor für angewandte Physik am Yale Quantum Institute der Yale University.

John M. Martinis hat an der University of California, Berkeley, promoviert. 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 der Forschungsgruppe von Herrn Clarke bei. Gemeinsam stellten sie sich der Herausforderung, den Quantentunneleffekt auf makroskopischer Ebene nachzuweisen.

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

Dieses Teilchensystem befindet sich zunächst in einem Zustand, in dem Strom ohne Spannung fließt, als ob es durch eine unpassierbare Barriere blockiert wäre.

Im Experiment zeigte das System Quanteneigenschaften, indem es diesen Zustand durch den Quantentunneleffekt 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 zurück. Wirft man jedoch ein mikroskopisch kleines Teilchen, durchdringt es die Wand. Dieser Effekt nimmt normalerweise bei einer großen Teilchengruppe ab, weshalb wir im Alltag nie jemanden durch eine Wand gehen sehen – Foto: JOHAN JARNESTAD/Schwedische Akademie der Wissenschaften

Wegbereiter für die Quantentechnologie

Das Experiment hat wichtige Konsequenzen für das Verständnis der Quantenmechanik. Bisher waren makroskopische quantenmechanische Effekte auf die Kombination vieler mikroskopischer Teilchen zurückzuführen, die Phänomene wie Laser, Supraleiter und Supraflüssigkeiten hervorbrachten. Die Experimente der drei diesjährigen Nobelpreisträger zeigten jedoch einen direkten makroskopischen Effekt.

Diese Art makroskopischer Quantenzustände eröffnet neue Möglichkeiten für Experimente, die Phänomene der mikroskopischen Welt ausnutzen. Man kann sich diese Zustände als eine Art künstliches Atom im großen Maßstab vorstellen, das zur Simulation und Untersuchung anderer Quantensysteme verwendet wird.

Eine wichtige Anwendung war der Quantencomputer, den Martinis später implementierte. Er nutzte genau die Energiequantisierung, die er und seine beiden Co-Nobelpreisträger demonstriert hatten, und verwendete Schaltkreise mit quantisierten Zuständen als Quantenbits oder Qubits, wobei der niedrigste Energiezustand 0 und der höhere 1 war.

Supraleitende Schaltkreise sind eine der Techniken, die beim Bau von Quantencomputern erforscht werden. Martinis war von 2014 bis 2020 Leiter der Quantencomputer-Forschungsgruppe von Google.

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

Wenn Physik und Chemie im Quanten-"Tunnel" aufeinandertreffen

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

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

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

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

Tunneleffekte werden auf Universitätsniveau in Lehrbüchern zur chemischen Kinetik gelehrt und bei der Berechnung von Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten mithilfe von Quantenmethoden modelliert. Auch hier verschmelzen Physik und Chemie wunderbar.

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