Drei Quantenforscher teilen sich Physik-Nobelpreis 2025
"Es ist wundervoll zu sehen, dass die jahrhundertealte Quantenmechanik immer wieder neue Überraschungen bietet"
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Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, den Nobelpreis für Physik 2025 an John Clarke (Universität von Kalifornien, Berkeley, USA), Michel H. Devoret (Yale Universität, New Haven, CT und Universität von Kalifornien, Santa Barbara, USA) und John M. Martinis Universität von Kalifornien, Santa Barbara, USA "für die Entdeckung des makroskopischen mechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in einem elektrischen Schaltkreis" zu verleihen .
Ihre Experimente auf einem Chip zeigten die Quantenphysik in Aktion
Eine wichtige Frage in der Physik ist die nach der maximalen Größe eines Systems, das quantenmechanische Effekte zeigen kann. Die diesjährigen Nobelpreisträger führten Experimente mit einem elektrischen Schaltkreis durch, in denen sie sowohl quantenmechanisches Tunneln als auch quantisierte Energieniveaus in einem System nachwiesen, das groß genug ist, um in der Hand gehalten zu werden.
Die Quantenmechanik ermöglicht es einem Teilchen, sich direkt durch eine Barriere zu bewegen, und zwar durch einen Prozess, der als Tunneln bezeichnet wird. Sobald eine große Anzahl von Teilchen beteiligt ist, werden die quantenmechanischen Effekte normalerweise unbedeutend. Die Experimente der Preisträger zeigten, dass sich quantenmechanische Eigenschaften auf makroskopischer Ebene konkretisieren lassen.
In den Jahren 1984 und 1985 führten John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis eine Reihe von Experimenten mit einem elektronischen Schaltkreis durch, der aus Supraleitern besteht, d. h. aus Komponenten, die einen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können. In dem Schaltkreis waren die supraleitenden Komponenten durch eine dünne Schicht aus nichtleitendem Material getrennt, eine Anordnung, die als Josephson-Übergang bekannt ist. Durch die Verfeinerung und Messung der verschiedenen Eigenschaften ihres Schaltkreises konnten sie die Phänomene kontrollieren und erforschen, die auftraten, wenn sie einen Strom durch ihn leiteten. Die geladenen Teilchen, die sich durch den Supraleiter bewegten, bildeten zusammen ein System, das sich wie ein einziges Teilchen verhielt, das den gesamten Stromkreis ausfüllte.
Dieses makroskopische teilchenähnliche System befindet sich zunächst in einem Zustand, in dem Strom ohne Spannung fließt. Das System ist in diesem Zustand gefangen, wie hinter einer Barriere, die es nicht überwinden kann. Im Experiment zeigt das System seinen Quantencharakter, indem es durch Tunneln aus dem spannungslosen Zustand entkommen kann. Der veränderte Zustand des Systems wird durch das Auftreten einer Spannung nachgewiesen.
Die Preisträger konnten auch zeigen, dass sich das System so verhält, wie es die Quantenmechanik vorhersagt - es ist gequantelt, das heißt, es nimmt nur bestimmte Energiemengen auf oder gibt sie ab.
"Es ist wundervoll zu sehen, dass die jahrhundertealte Quantenmechanik immer wieder neue Überraschungen bietet. Sie ist auch enorm nützlich, denn die Quantenmechanik ist die Grundlage aller digitalen Technologien", sagt Olle Eriksson, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik.
Die Transistoren in Computermikrochips sind ein Beispiel für die etablierte Quantentechnologie, die uns umgibt. Der diesjährige Nobelpreis für Physik bietet die Möglichkeit, die nächste Generation der Quantentechnologie zu entwickeln, darunter Quantenkryptographie, Quantencomputer und Quantensensoren.
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