Physiknobelpreis 2025: Quantenmechanik zum Greifen nah

Im Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie – anlässlich des 100. Jubiläums der Geburtsstunde der Quantenmechanik – ist es ziemlich passend, dass der Nobelpreis für Physik 2025 an drei Quantenphysiker verliehen wird. Am 7. Oktober 2025 wurde die Auszeichnung an John Clarke, Michel H. Devoret, Alumnus der Lindauer Nobelpreisträgertagung 1982, und John M. Martinis gemeinsam „für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in einem elektrischen Schaltkreis“ verkündet.

Das Trio führte Mitte der 1980er-Jahre an der University of California, Berkeley (USA) eine Reihe erkenntnisreicher Experimente durch. Sie konnten zeigen, dass Quantenphänomene – die unserer Alltagserfahrung meist widersprechen und sich normalerweise nur im Bereich elementarer Teilchen zeigen – auch in makroskopischen supraleitenden elektrischen Schaltkreisen beobachtbar sind.

Dazu gehörte der Nachweis, dass das System quantisiert ist, also Energie nur in bestimmten, diskreten Mengen aufnehmen oder abgeben kann, sowie die Demonstration des Quantentunnelns – eines Effekts, bei dem sich Elektronen aufgrund ihres wellenartigen Charakters durch Barrieren bewegen können, die nach klassischer Physik völlig undurchdringlich wären. Es ist, als würde ein Geist durch eine feste Wand gehen.

Quantenphysikalische Grundlagen

Wie bei allen mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Entdeckungen bauten auch die Arbeiten von Clarke, Devoret und Martinis auf zahlreichen früheren Durchbrüchen auf. So war die quantenmechanische Darstellung des Atoms vor 100 Jahren revolutionär – und zentral für die Forschung des Trios.

Die Quantenmechanik wurde erstmals vom Nobelkomitee gewürdigt, als Werner Heisenberg 1932 sowie Erwin Schrödinger und Paul Dirac 1933 den Nobelpreis für Physik erhielten (Schrödinger und Dirac waren zudem regelmäßige Teilnehmer der Lindauer Tagungen). Ihre grundlegenden Beiträge legten das Fundament für das, was heute eine der wichtigsten Säulen der modernen Wissenschaft ist.

Seit diesen frühen Auszeichnungen folgte eine ganze Reihe weiterer Nobelpreise für Fortschritte in der Quantenmechanik – zuletzt der Nobelpreis für Physik 2022, der an Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger ging, „für ihre Experimente mit verschränkten Photonen, die die Verletzung der Bell-Ungleichungen bestätigten und die Quanteninformationswissenschaft begründeten“.

Die Liste der Arbeiten, die direkt für den diesjährigen Preis relevant sind – also für quantenmechanisches Tunneln in supraleitenden elektrischen Schaltkreisen – ist jedoch kürzer. Die Empfänger des Nobelpreises für Physik 1972, John Bardeen (der einzige Mensch, der den Nobelpreis für Physik zweimal erhielt, das erste Mal 1956), Leon N. Cooper und John R. Schrieffer, entwickelten die nach ihren Namen bezeichnete BCS-Theorie, um die ungewöhnlichen Eigenschaften von Supraleitern zu erklären – Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können.

Parallel dazu führten die Nobelpreisträger für Physik 1973, Leo Esaki und Ivar Giaever, grundlegende theoretische bzw. experimentelle Forschung zum quantenmechanischen Tunneln in Halbleitern bzw. Supraleitern durch; Letzterer bestätigte dabei die Vorhersagen der BCS-Theorie.

Am relevantesten jedoch sind die Arbeiten von Brian D. Josephson (Nobelpreis für Physik 1973) und Anthony Leggett (Nobelpreis für Physik 2003), die die eigentliche Grundlage für die Experimente von Clarke, Devoret und Martinis in den 1980er-Jahren schufen.

Das richtige Paar

Im Jahr 1962 sagte Brian D. Josephson voraus, dass die von der BCS-Theorie beschriebenen Cooper-Paare aus Elektronen, die in einem Supraleiter den Strom transportieren, durch eine Josephson-Kontaktstelle tunneln können – eine Struktur, die aus einer dünnen Isolationsschicht zwischen zwei Supraleitern besteht. Dieses Phänomen, das später als Josephson-Effekt bekannt wurde, ist ein Quantenphänomen, das sich auf einer gewöhnlichen makroskopischen Skala als Stromfluss ohne anliegende Spannung beobachten lässt.

Der Effekt wurde 1963 experimentell von Philip W. Anderson (Nobelpreis für Physik 1977) und John Rowell bestätigt. Sie beobachteten, dass eine Josephson-Kontaktstelle einen stabilen Strom erzeugte, der nicht verschwand, auch wenn keine Spannung angelegt war. Und als sie anschließend eine konstante Gleichspannung anlegten, begann der Strom mit einer Frequenz zu oszillieren, die durch die fundamentale Ladung eines Cooper-Paares bestimmt wird.

1978 stellte Leggett schließlich die Behauptung auf, dass ein klassisches Bauelement, das ein makroskopisches Quantenphänomen zeigt – wie eine Josephson-Kontaktstelle – darüber hinaus auch ein anderes Verhalten zeigen kann. In einem solchen Zustand verhalten sich die Milliarden von Cooper-Paaren, die den gesamten elektrischen Schaltkreis bilden, so, als wären sie ein einziges Teilchen mit einer gemeinsamen Wellenfunktion.

Makroskopischer Kern

Gemeinsam mit seinem Doktoranden John M. Martinis und dem Postdoc Michel H. Devoret entwarf John Clarke eine sorgfältig konfigurierte supraleitende Schaltung mit einer Josephson-Kontaktstelle, die auf einem Mikrochip strukturiert wurde, um Leggetts Idee unter realen Bedingungen zu testen. Ihr Aufbau ermöglichte einen elektrischen Stromfluss ohne Widerstand über die Kontaktstelle hinweg, während gleichzeitig das Rauschen auf ein absolutes Minimum reduziert wurde, um jede mögliche Umwelteinwirkung zu vermeiden – das Ergebnis war eine Spannung von exakt null.

Wenn sich das System tatsächlich quantenmechanisch verhalten und wie ein einzelnes Teilchen agieren würde, müsste es gelegentlich und zufällig eine Spannung über der Kontaktstelle erzeugen – und genau das beobachteten die Forschenden. Anschließend lieferten sie einen weiteren Beweis, indem sie Mikrowellen unterschiedlicher Wellenlängen in den Nullspannungszustand einstrahlten, wodurch angeregte Zustände mit diskreten, quantisierten Energieniveaus entstanden. Ihre supraleitende Schaltung war tatsächlich ein einzelnes, großes Quantensystem – ein „makroskopischer Kern“.

Diese Entdeckungen aus den 1980er-Jahren markieren den Beginn des Quantum Engineering und haben einen vielversprechenden Weg zu einem praxistauglichen Quantencomputer aufgezeigt – ein Ziel, das bis heute intensiv verfolgt wird.

Auf dem Weg zu Quantencomputern

Wie bei herkömmlichen Computern basiert auch ein Quantencomputer auf einer Grundeinheit der Information: dem Qubit. Anders als klassische Bits, die entweder eine 0 oder eine 1 darstellen, nutzt ein Qubit jedoch das Quantenphänomen der Superposition. Dadurch kann es eine 0, eine 1 oder einen Zustand annehmen, in dem es jede beliebige Kombination aus beidem gleichzeitig repräsentiert. Diese Eigenschaft könnte Quantencomputern ermöglichen, bestimmte Probleme zu lösen, an denen selbst die leistungsfähigsten Supercomputer scheitern würden.

Supraleitende Schaltkreise, deren Entwicklung bis zu den Experimenten der 1980er Jahre zurückreicht, zählen heute zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Realisierung von Qubits. Und Martinis und Devoret gehören zu den führenden Kräften beim Bau entsprechender Quantencomputer.

2019 entwickelten Martinis und sein Team bei Google Quantum AI einen Quantenprozessor mit 53 Qubits, der – je nach Interpretation – einen Quantenvorteil demonstrierte, also ein Problem überwand, das für jeden klassischen Computer praktisch unlösbar wäre. Vor Kurzem gründete er zudem QoLab, um die Entwicklung eines Systems mit einer Million Qubits deutlich zu beschleunigen. Devoret wiederum widmete einen Großteil der 2010er Jahre der Entwicklung neuer Qubit-Typen – darunter die exotisch klingenden Quantronium, Fluxonium und Transmon – und wurde 2023 Chief Scientist of Quantum Hardware bei Google Quantum AI.

Die laufenden Arbeiten von Martinis und Devoret verdeutlichen die enorme Tragweite der grundlegenden Entdeckung des Trios. Sie bestätigten nicht nur eine theoretische Vorhersage der Quantenmechanik – sie lieferten eine Blaupause dafür, wie sich Quantenphänomene auf makroskopischer, kontrollierbarer Ebene technisch umsetzen lassen. Eine Blaupause, die bis heute genutzt wird, um die Quantentechnologien der Zukunft zu entwickeln.