Bahnbrechende Entdeckung schreibt Quantenmechanik-Regeln neu
Der Nobelpreis für Physik 2025 wurde an drei bahnbrechende Wissenschaftler für ihre revolutionäre Arbeit verliehen, die zeigt, dass quantenmechanische Effekte auf makroskopischer Ebene auftreten können, was grundlegende Annahmen über die Natur der Realität in Frage stellt. Der britische Physiker John Clarke, der amerikanische Forscher John Martinis und der französische Wissenschaftler Michel Devoret erhielten den prestigeträchtigen Preis für ihre Entdeckung der "makroskopischen quantenmechanischen Tunnelung und Energiequantisierung in einem elektrischen Schaltkreis".
Das Experiment, das alles veränderte
In ihren bahnbrechenden Experimenten von 1984-1985, die an der UC Berkeley durchgeführt wurden, schuf das Trio supraleitende elektrische Schaltkreise mit Josephson-Kontakten - im Wesentlichen zwei Supraleiter, die durch eine dünne isolierende Schicht getrennt sind. Als sie nichtleitendes Material in diese Schaltkreise einfügten, sagte die konventionelle Physik voraus, dass kein Strom fließen würde. Zu ihrer Überraschung verhielten sich die elektrischen Schaltkreise jedoch so, als ob nichts den Strom blockieren würde.
"Das ist die Überraschung meines Lebens," sagte Clarke, jetzt in den Achtzigern, als das Nobelkomitee ihn in Kalifornien erreichte. "Wir hätten nie gedacht, dass wir damit einen Nobelpreis gewinnen könnten."
Das Phänomen, das sie beobachteten, war Quantentunnelung - bei der Teilchen durch Barrieren zu gehen scheinen, die nach der klassischen Physik undurchdringlich sein sollten. Was ihre Entdeckung außergewöhnlich machte, war, dass dieser Effekt in Systemen auftrat, die groß genug waren, um sie in der Hand zu halten, nicht nur auf atomarer oder subatomarer Ebene, wo Quanteneffekte bisher vermutet wurden.
Überbrückung der Quanten-Klassik-Kluft
Die Arbeit der Preisträger zeigte, dass Cooper-Paare in Supraleitern - Paare von Elektronen, die sich wie eine einzelne Quanteneinheit verhalten - durch Energiebarrieren tunneln und quantisierte Energieniveaus in makroskopischen Systemen aufweisen können. Dies lieferte den ersten konkreten Beweis, dass Quanteneffekte nicht auf mikroskopische Skalen beschränkt sind, sondern sich in Systemen in menschlichem Maßstab manifestieren können.
"Es gibt keine moderne Technologie heute, die nicht der Quantenmechanik verpflichtet ist: Mobiltelefone, Computer, Kameras, Glasfaserverbindungen," sagte Professor Olle Eriksson während der Preisverleihungszeremonie in Stockholm. "Es ist wunderbar, jetzt feiern zu können, wie diese hundert Jahre alte Theorie uns immer wieder überrascht."
Die Forschung baut auf der berühmten Beobachtung des Physikers Richard Feynman auf, der einmal bemerkte: "Wenn Sie denken, Sie verstehen Quantenmechanik, dann verstehen Sie Quantenmechanik nicht." Das Nobelkomitee betonte, dass die Arbeit der Preisträger zeigt, wie sich Materialien auf völlig kontraintuitive Weise innerhalb des quantenmechanischen Rahmens verhalten können, der vor einem Jahrhundert erstmals beschrieben wurde.
Grundlage für Quantentechnologien
Die Entdeckung hat tiefgreifende Implikationen für die Entwicklung von Quantentechnologien, insbesondere Quantencomputing. Martinis, der später die Quantencomputing-Bemühungen von Google leitete und 2019 Quantenüberlegenheit demonstrierte, baute direkt auf dieser Grundlagenforschung auf. Die Fähigkeit, Quanteneffekte in makroskopischen Systemen zu beobachten und zu kontrollieren, bildet die Grundlage für den Bau praktischer Quantencomputer, die Probleme lösen können, die außerhalb der Reichweite klassischer Computer liegen.
Laut einer aktuellen Analyse von McKinsey macht Quantentechnologie den Übergang vom Konzept zur Realität, wobei der Markt voraussichtlich innerhalb eines Jahrzehnts 100 Milliarden Dollar erreichen wird. Allein das Quantencomputing-Segment wird voraussichtlich von 4 Milliarden Dollar im Jahr 2024 auf 72 Milliarden Dollar im Jahr 2035 wachsen.
Aktuelle Anwendungen, die bereits entstehen, umfassen NTT Docomo, das die Effizienz von Mobilfunknetzen mit Hilfe von Quantenoptimierung um 15% verbesserte, während Unternehmen wie Japan Tobacco und Ford Otosan Quantenmethoden auf Arzneimittelentdeckung und Produktionsprozesse anwenden.
Fortsetzung des Nobel-Erbes
Der Physikpreis dieses Jahres folgt auf den Preis des letzten Jahres für Forscher, die grundlegende Beiträge zur Entwicklung künstlicher Intelligenz leisteten. Die Nobel-Saison geht weiter mit den Preisen für Chemie, Literatur und Frieden, die später in dieser Woche angekündigt werden, gefolgt von Wirtschaftswissenschaften nächste Woche.
Jeder Nobelpreisträger erhält 11 Millionen Schwedische Kronen (etwa 1 Million Euro), wobei das Preisgeld aufgeteilt wird, wenn mehrere Gewinner einen Preis teilen. Die formelle Preisverleihung findet am 10. Dezember statt, dem Todestag von Alfred Nobel.
Die Niederlande halten ihre starke Tradition in Physik-Nobelpreisen aufrecht, wobei 9 der 21 niederländischen Nobelpreisträger in dieser Kategorie gewonnen haben. Die jüngsten niederländischen Physikpreisträger waren Martinus Veltman und Gerard 't Hooft für ihre Forschung in der Teilchenphysik.