Nobelpreis für Physik 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis realisierten Quantenphänomene, die traditionell nur im mikroskopischen Bereich möglich sind, in einem System, das groß genug ist, um es in der Hand zu halten
- Mit supraleitenden elektrischen Schaltkreisen lieferten sie den direkten Nachweis von makroskopischem Quantentunneln und Energiequantisierung in Systemen aus vielen Teilchen
- Im Experiment ändert das System seinen Zustand durch Tunneleffekte und absorbiert oder emittiert Energie nur in diskreten Mengen
- Die Forschung vermittelt ein tiefes Verständnis für beobachtbare Quanteneffekte auf makroskopischer Skala sowie deren theoretische und experimentelle Bedeutung
- Diese Leistung ist ein wichtiger experimenteller Nachweis, der die Grundlage für die Entwicklung von Quantentechnologien und die Verwirklichung von Quantencomputern bildet
Quanteneigenschaften auf menschlicher Skala beobachtet
Die Nobelpreisträger für Physik 2025, John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis, haben experimentell bewiesen, dass die eigentümlichen Phänomene der Quantenwelt auch in Systemen auftreten, die groß genug sind, um man sie in der Hand zu halten. Die von ihnen gebauten supraleitenden elektrischen Schaltkreise zeigen Tunnelübergänge zwischen Zuständen, was so ist, als würden sie sich durch eine Wand hindurchbewegen. Außerdem absorbieren oder emittieren die Schaltkreise, wie von der Quantenmechanik vorhergesagt, nur Energie in bestimmten diskreten Mengen.
Reihe bahnbrechender Experimente
- Die Quantenmechanik erklärt Phänomene auf der Ebene einzelner Teilchen, doch in alltäglichen makroskopischen Phänomenen treten Quanteneffekte normalerweise nicht zutage
- Clarke, Devoret und Martinis wiesen jedoch in elektrischen Schaltkreisen aus Supraleitern experimentell nach, dass sich viele Teilchen wie ein einziges riesiges Teilchen bewegen und makroskopisches Quantentunneln zeigen
- Anders als bekannte Anwendungen des Quantentunnelns wie etwa beim Kernzerfall wurde dieses Phänomen hier in einem System bestätigt, in dem sich Milliarden von Teilchen gleichzeitig synchron bewegen
- Der experimentelle Schaltkreis enthält zwei Supraleiter und eine dünne isolierende Barriere mit Leitfähigkeit (Josephson junction), sodass die kollektive Bewegung der Cooper-Paare durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben werden kann
Quantenmechanik über Tunnel und Grenzen hinweg
- Quantentunneln ist bereits als Effekt bei einzelnen Teilchen gut bekannt, doch die diesjährigen Preisträger bewiesen, dass es auch bei vielen Teilchen gleichzeitig auf makroskopischer Skala auftritt
- Cooper-Paare sind an denselben Quantenzustand gebunden und können als ein einziges riesiges Teilchen sowie durch eine kollektive Wellenfunktion beschrieben werden
- Die Josephson junction ist ein zentrales Bauelement für die Erforschung von Quantenphänomenen und ermöglicht Experimente zur Wechselwirkung von Wellenfunktionen und zu makroskopischen Quanteneffekten über einen dünnen isolierenden Bereich zwischen zwei Supraleitern
Experimentelle Herausforderungen der Forschungsgruppe
- John Clarke leitete in Berkeley vielfältige Forschungen zur Physik von Supraleitern und Josephson junctions
- Michel Devoret arbeitete als Postdoktorand, John Martinis als Doktorand mit Clarke zusammen. Den drei gelang es, experimentelle Belege für makroskopisches Quantentunneln zu sichern und präzise Messungen durchzuführen
- Im Experiment wurde die Josephson junction mit einem schwachen Strom gespeist; zunächst wurde ein Zustand von 0 Volt beobachtet, doch nach einer gewissen Zeit wurde der quantenmechanische Übergang, bei dem durch Tunneln eine Spannung entsteht, numerisch aufgezeichnet
- Durch vielfache Wiederholung desselben Experiments wurden statistische Daten angesammelt und die Verteilung der Wartezeit bis zum Tunneln analysiert, ähnlich wie bei der Messung der Halbwertszeit beim Kernzerfall
Energiequantisierung und experimentelle Präzision
- Die Experimente bestätigten, dass die Gesamtheit der Cooper-Paare wie ein einziges riesiges Teilchen gleichzeitige Änderungen des Energiezustands vollzieht, und bestätigten auch die Energiequantisierung, bei der nur bestimmte Energiemengen absorbiert oder emittiert werden
- Wurde Mikrowellenstrahlung eingespeist, um das System in einen höheren Energiezustand zu versetzen, zeigte es eine verkürzte Wartezeit bis zum Tunneln, im Einklang mit den Vorhersagen der Quantenmechanik
Praktische und theoretische Bedeutung
- Frühere makroskopische Quantenphänomene (z. B. Laser, Supraleitung, Suprafluidität) sind das Ergebnis der Summe individueller Quanteneigenschaften von Materie. Dieses Experiment bewies jedoch, dass das große Kollektiv selbst in einem quantenmechanischen Zustand ist
- Dieses Experiment ist mit dem Gedankenexperiment von Schrödingers Katze vergleichbar und beweist, dass große Vielteilchensysteme tatsächlich den Gesetzen der Quantenmechanik folgen
- Makroskopische Quantenzustände bilden die Grundlage für neue experimentelle Plattformen wie künstliche Atome und für die Entwicklung fortschrittlicher Technologien wie die Realisierung von Qubits in Quantencomputern
- Insbesondere veröffentlichte John Martinis auf Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse auch Quantencomputer-Experimente, in denen die 0- und 1-Zustände eines Qubits direkt in einem Schaltkreis realisiert wurden
Fazit
- Der Nobelpreis für Physik 2025 wurde an Clarke, Devoret und Martinis verliehen, die Quantentunneln und Energiequantisierung in makroskopischen elektrischen Schaltkreisen erstmals experimentell nachwiesen
- Diese Forschung lieferte einen Impuls für experimentelle und theoretische Fortschritte in der Quantenmechanik sowie für die Erschließung neuer Technologiefelder
Zusätzliche Informationen
- Ausführlichere wissenschaftliche Hintergrundmaterialien zum diesjährigen Nobelpreis finden sich unter www.kva.se und www.nobelprize.org
- Informationen zu Pressekonferenz, Vorträgen und Ausstellungen finden sich unter www.nobelprizemuseum.se
Preisträger des Nobelpreises für Physik 2025
- John Clarke: geboren 1942 in Cambridge, Vereinigtes Königreich; 1968 Promotion an der University of Cambridge; derzeit Professor an der University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret: geboren 1953 in Paris, Frankreich; 1982 Promotion an der Paris-Sud University; derzeit Professor an der Yale University/University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis: geboren 1958; 1987 Promotion an der University of California, Berkeley; derzeit Professor an der University of California, Santa Barbara
„Entdeckung des makroskopischen Quantentunnelns und der Energiequantisierung in elektrischen Schaltkreisen“
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ich habe bei einem Nobelpreisträger Elektronik gelernt.
In meinem Physikstudium und während der Promotion war Analogelektronik der schwierigste und zugleich lohnendste Kurs.
Ich habe Nächte im Labor verbracht und damit gerungen, einen Filter zum Laufen zu bringen, dann ein paar Stunden geschlafen und war vor Sonnenaufgang wieder im Labor.
Meistens lag das am Aufschieben, aber an diese Zeit habe ich wirklich tolle Erinnerungen.
Das Konzept, das ich damals am wenigsten verstanden habe, war die Stromquelle.
Spannungsquellen waren vertraut, aber Stromquellen wirkten irgendwie wie Magie.
Ich habe Professor Martinis gefragt, aber er schien nicht zu verstehen, warum ich es nicht verstand.
Die richtige Antwort ist Feedback (Regelungstechnik).
Auch eine gute Spannungsquelle braucht Feedback.
Für den Professor war Feedback so selbstverständlich, dass er nicht erwähnt hat, dass genau das der Kern ist, während ich vom Konzept der Regelung an sich noch nie gehört hatte.
Am Ende habe ich mich als Undergraduate Research Assistant für das Labor des Professors beworben, wurde aber abgelehnt.
Ich persönlich denke, es lag daran, dass ich das Konzept der Stromquelle nicht verstanden hatte, aber vielleicht war ich auch einfach zu spät dran, oder es lag an meiner Note A- (wegen des Aufschiebens).
Am Ende bin ich zu einem Biophysik-Forscher gegangen, und von da an wurde ich auf einem völlig anderen Weg Biophysiker.
Rückblickend denke ich, dass ich Glück hatte.
Ich hätte nie gedacht, dass Biophysik einmal ein Teil meines Lebens sein würde.
Natürlich hätte es auch Spaß machen können, im Bereich Quantenmaterialien oder QI/QC zu landen.
Im Moment lerne ich mit Mike and Ike (dem Lehrbuch), und ich finde es wirklich spannend.
Nach der Promotion habe ich ein Startup für industrielle Regelung und Automatisierung mitgegründet.
Inzwischen verstehe ich Feedback und auch Stromquellen ziemlich gut (es hat lange gedauert, aber am Ende habe ich es gelernt).
(Wichtig ist übrigens auch, dass gute Spannungsquellen den Widerstand regeln und gute Stromquellen die Spannung regeln. Dass mir Stromquellen schwieriger vorkamen, lag vor allem daran, dass ich zu sehr an Spannungsquellen, also Batterien, gewöhnt war. Eigentlich hätte ich das kritischer hinterfragen sollen. Außerdem habe ich gelernt, dass man eine ideale Spannungsquelle [sehr hoher Widerstand] vergleichsweise leicht bauen kann, während eine ideale Stromquelle [0 Widerstand] wirklich schwierig ist.)
Die Formulierung „Gute Spannungsquellen regeln den Widerstand und gute Stromquellen regeln die Spannung“ könnte etwas verwirrend sein.
Ich wollte fragen, ob damit gemeint ist, dass Spannungsquellen den Strom und Stromquellen die Spannung regeln. (Vielleicht ist das nicht wichtig, aber ich war einfach neugierig.)
Wenn man eine ideale Stromquelle auf 50 mA einstellt und dann jemanden damit piekst, wäre das vermutlich ziemlich beängstigend.
„ich verstehe es gut*“ war ein Tippfehler. Schade, dass ich das nicht mehr korrigieren kann.
Man kann auch ohne Feedback eine ineffiziente, aber feste Stromquelle bauen.
Fred Ramsdell hat diesmal den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2025 gewonnen.
Angeblich ist er gerade völlig „off-grid“ auf einer Wanderung und nicht erreichbar.
Zugehöriger Artikel
Devoret und Martinis bringen das Quantum Engineering tatsächlich auf eine neue Stufe.
Devoret ist bei Google Quantum AI, Martinis bei Qolab aktiv.
Ein Freund von mir promoviert auch bei Devoret, und ich kenne auch jemanden, der mit Martinis arbeitet.
Durch diesen Nobelpreis werden beide nun wohl viele Einladungen zu Gastvorträgen und Keynotes bekommen, daher frage ich mich, ob ich meinen Doktorvater noch einmal zu Gesicht bekomme.
Gastvorträge kann man sich meist selbst aussuchen, aber es gibt eine Ausnahme.
Laut Nobelpreis-Regeln muss ein Preisträger innerhalb von sechs Monaten genau einen Vortrag zu einem vom Nobelpreis verleihenden Institut festgelegten Thema halten.
Der Vortrag zum Nobelpreis für Physik 2024 (über die Ursprünge neuronaler Netze) fand ebenfalls direkt vor der Preisverleihung statt und ist auf dem Bildungsfernsehkanal des schwedischen Rundfunks und auf YouTube zu sehen.
Link zum zugehörigen Video
Es fühlt sich etwas ungewohnt an, Devoret ohne Schoelkopf im Rampenlicht zu sehen.
Ich habe einige Zeit am Fachbereich Physik der UCSB verbracht und dort Professor Martinis kennengelernt.
Professor Martinis wusste unter den Experimentalphysikern über Elektronik und Messtechnik weit mehr als ein typischer Elektrotechnikstudent.
Er stellte Materialien wie von ihm entwickelte Schaltungen, Dokumente und CAD-Dateien in Form eines Wikis zur Verfügung und veröffentlichte auch Open-Source-Software zur Steuerung elektronischer Geräte.
Ich bin stolz darauf, dass die UCSB noch einmal einen Nobelpreis bekommt.
Man sollte auch erwähnen, dass ein Großteil der Nobelpreis-Forschung von Martinis tatsächlich am NIST (US National Institute of Standards and Technology, dem Handelsministerium unterstellt) durchgeführt wurde.
Wenn jemand verstehen möchte, warum solche Quantenphänomene und makroskopischen Quanteneffekte wichtig und faszinierend sind, würde ich Anil Ananthaswanis „Through Two Doors at Once“ empfehlen.
Es ist beeindruckend zu sehen, wie die University of California, Berkeley und die University of Cambridge ihre ohnehin schon großartigen Listen von Nobelpreisträger-Alumni weiter ausbauen.
Von der Paris-Sud University hatte ich vorher noch nie gehört, aber damit wäre es bereits der vierte Nobelpreisträger aus dieser Universität.
Bildungs- und Forschungseinrichtungen sind oft getrennt, und viel Forschung sowie viele Abschlüsse entstehen in Kooperation mehrerer Universitäten und Forschungsinstitute.
Zum Beispiel kann ein einziges Labor gemeinsam von fünf Hochschulen und drei nationalen Forschungsinstituten betrieben werden, und Studierende können über gemeinsame Studienprogramme mehrerer Einrichtungen gleichzeitig Abschlüsse im Namen anderer Hochschulen erhalten.
Deshalb ist es für Außenstehende oft schwer, die Gesamtstruktur zu verstehen.
Ich habe eine eher geisteswissenschaftliche Frage.
„Ein Ball, den man gegen eine Wand wirft, prallt immer zurück, aber Teilchen in der Mikrowelt können ein Hindernis einfach durchdringen und auf der anderen Seite erscheinen. Das nennt man Tunneln.“
Ich frage mich, ob dieses Phänomen bedeutet, dass das Teilchen tatsächlich nicht mit der Wand kollidiert und durch einen winzigen Zwischenraum hindurchgeht, oder ob etwas noch Seltsameres passiert.
Die Frage ist überhaupt nicht dumm.
Klassisch könnte man sich vorstellen, dass ein Teilchen sich irgendwie an der Wand vorbeimogelt.
Aber Tunneln in der Quantenmechanik ist ein völlig anderes Konzept.
Die „Wand“ bedeutet hier weniger ein reales Objekt als vielmehr eine Energiebarriere.
Klassisch könnte ein Teilchen, wenn es nicht genug Energie hat, diese Barriere niemals überwinden, aber in der Quantenmechanik hat das Teilchen Wellencharakter, und die Amplitude seiner Wellenfunktion nimmt beim Durchgang durch die Barriere zwar ab, wird aber nicht null.
Dadurch gibt es auch auf der anderen Seite der Barriere eine sehr kleine, aber reale Wahrscheinlichkeit, das Teilchen anzutreffen, sodass es bei einer tatsächlichen Messung dort gefunden werden kann.
Das Erstaunliche an den Experimenten, die dem diesjährigen Nobelpreis zugrunde liegen, ist, dass nicht ein einzelnes Teilchen wie ein Elektron getunnelt ist, sondern viele Teilchen gleichzeitig, die sich eine makroskopische Wellenfunktion teilen.
Sie befanden sich in einem kohärenten Zustand, in dem die Wellenfunktion über die Barriere hinweg verbunden blieb, sodass auf der anderen Seite eine nennenswerte Wahrscheinlichkeitsamplitude übrig blieb und die Beobachtung überhaupt möglich wurde.
Ja, es passiert etwas noch Seltsameres.
Man kann sich eine Situation vorstellen, in der ein einzelnes Teilchen von einem niederenergetischen Zustand A in einen anderen niederenergetischen Zustand C gelangen muss und dazwischen ein hochenergetischer Zustand B liegt.
Klassisch wäre der Übergang von A nach C ohne zugeführte Energie unmöglich, aber tatsächlich beobachtet man, dass das Teilchen auch ohne Energiezufuhr nach C gelangt, fast wie durch Teleportation.
Dabei bleibt die Frage, ob das Teilchen wirklich durch B gegangen ist. (Man kann es so verstehen, dass es in Wirklichkeit nicht durch B gegangen zu sein scheint.)
Eine vereinfachte Version dieses Phänomens ähnelt dem Konzept einer „Potentialbarriere“.
So wie ein Ball einen Hügel (eine Energiebarriere) ohne genügend Geschwindigkeit nicht überqueren kann, braucht auch ein Teilchen in der klassischen Mechanik genug Energie, um die Barriere zu überwinden.
In der Quantenmechanik jedoch bleibt die Wellenfunktion auch bei zu geringer Energie innerhalb der Barriere exponentiell abfallend, aber nicht vollständig null, wodurch auf der anderen Seite eine Wahrscheinlichkeit besteht, das Teilchen zu finden.
In der Quantenmechanik begleitet den „Ball“ (oder das ideale Teilchen) eine Wellenfunktion.
Wenn man diese Wellenfunktion berechnet, bleibt auf der anderen Seite der Wand eine von null verschiedene Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen dort befindet.
Vielleicht gibt es eine tiefere Erklärung, aber so verstehe ich es zumindest.
Mit dem „einzelnen Teilchen“ ist hier nicht ein klassischer Ball gemeint, sondern ein „Quantenobjekt“, das je nach Situation sowohl als Welle als auch als Teilchen agiert.
Es ist auf jeden Fall ein geheimnisvolles Konzept.
Ich habe heute Morgen auch den Artikel der New York Times gelesen und war nicht zufrieden damit.
Deshalb bin ich zu HN gegangen, um bessere Informationen zu finden, und ich war zufrieden, dort tatsächlich bessere Artikel und Erklärungen gefunden zu haben.
Der hier vorgestellte Artikel ist zwar auf Oberstufenniveau, aber aus der Sicht eines emeritierten Physikdoktors konnte ich Experiment und Theorie gut nachvollziehen.
Ich bin jedes Jahr gespannt, welche bahnbrechende Entdeckung beim Nobelpreis für Physik gewürdigt wird.
Ich freue mich darauf, auch künftig über die neuesten Entwicklungen zu lernen.