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 das Wissenschaftlertrio John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis hat das, was bisher nur in mikroskopischen Laboren existierte, greifbar gemacht – und zwar in einem elektrischen Schaltkreis, der mit bloßem Auge sichtbar ist.

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

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

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

Aus Neugier begannen die drei Wissenschaftler Clarke, Devoret und Martinis in den 1980er Jahren an der University of California zu testen, ob Quantengesetze in einer Größenordnung existieren, die groß genug ist, um mit bloßem Auge erkannt zu werden.

Um dies zu testen, entwickelten sie einen Josephson-Schaltkreis, bei dem zwei Supraleiter durch eine ultradünne Isolierschicht getrennt sind. In einem normalen Metall kollidieren Elektronen mit dem Material und miteinander, in einem Supraleiter, der nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist, bilden sie jedoch Cooper-Paare, die sich widerstandslos im Gleichklang bewegen und eine gemeinsame Quantenwellenfunktion aufweisen.

Als das Team den Schaltkreis auf Nullspannung hielt, hätte er nach der klassischen Physik stillstehen müssen. Die Forschung zeigte jedoch, dass der Schaltkreis manchmal plötzlich „entkommt“ – nicht aufgrund von Hitze, sondern aufgrund von Quantentunneln durch die Energiebarriere. Dies war der erste direkte Beweis dafür, dass Quantengesetze auch in der makroskopischen Welt existieren.

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 hindeutet, dass die Energie des Schaltkreises nur diskrete Werte annehmen konnte. Mit anderen Worten: Ein aus Milliarden von Elektronen bestehendes Gerät verhielt sich wie ein einziges Quantensystem.

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

Frau Eva Olsson – Mitglied des Nobelkomitees – bewertete die Forschungsarbeit des Wissenschaftlertrios John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis als „Öffnen 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.

Herr Olle Eriksson, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik, bezeichnete dies unterdessen als Beweis dafür, dass die Quantenmechanik äußerst nützlich sei und die Grundlage aller aktuellen 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 das Pioniertrio demonstriert hatte.

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

Laut dem Nobelkomitee ist der Transistor in den heutigen Computer-Mikrochips ein Beispiel dafür, wie die Quantenmechanik zur Grundlage alltäglicher Technologie geworden ist und den Grundstein für die nächste Generation der Quantentechnologie gelegt hat, darunter Quantenkryptographie, Quantencomputer und Quantensensoren./.

(TTXVN/Vietnam+)

Quelle: https://www.vietnamplus.vn/giai-nobel-physics-2025-khi-the-gioi-luong-tu-tro-nen-huu-hinh-post1068919.vnp