Physik-Nobelpreis ehrt Grundlagen für hochmoderne Quantencomputer

John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis erhalten den Physik-Nobelpreis 2025 „für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in einem elektrischen Stromkreis“. Die Königlich Schwedische Akademie verlieh den in den USA forschenden Physikern die Auszeichnung, weil sie anhand einer Reihe von Experimenten gezeigt haben, dass die bizarren Eigenschaften der Quantenwelt auch im Makroskopischen sichtbar gemacht werden können.

Nobelpreis für ein Quantensystem in handlicher Größe

Konkret entwickelten sie ein Experiment, ein System, das groß genug ist, um in der Hand gehalten zu werden. Dieses supraleitende elektrische System konnte von einem Zustand in einen anderen tunneln. Sie zeigten auch, dass das System Energie in bestimmten Dosierungen absorbierte und emittierte, genau wie es die Quantenmechanik vorhersagt. Heute sind diese Systeme die Basis für eine bestimmte Art von Quantencomputern, die auf Supraleitung basieren.

„Es gibt keine moderne Technologie, die heute nicht auf Quantenmechanik und Quantenphysik basiert“, kommentierte Olle Eriksson, Vorsitzender des Nobelpreiskomitees für Physik in Stockholm. Die diesjährigen Nobelpreisträger hätten Mitte der 1980er-Jahre experimentelle Studien vorgelegt, die zeigten, dass quantenmechanische Effekte auch makroskopische Objekte erfassen.

Supraleitung ist der Schlüssel der Nobelpreisträger-Experimente

„Eine wichtige Frage in der Physik ist die maximale Größe eines Systems, in dem quantenmechanische Effekte auftreten können“, so die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften in einer Mitteilung. Die drei Preisträger hätten dies für relativ große Systeme mit Millionen einzelner Teilchen gezeigt. Dies habe Möglichkeiten für die Entwicklung der nächsten Generation von Quantentechnologie eröffnet hätten, darunter Quantenkryptografie, Quantencomputer und Quantensensoren.

1984 und 1985 führten Clarke, Devoret und Martinis eine Reihe von Experimenten an der University of California in Berkeley durch. Sie bauten einen Stromkreis mit zwei Supraleitern. Diese trennten sie durch eine dünne Schicht aus einem Material, das überhaupt keinen Strom leitete, eine Anordnung, die als Josephson-Übergang oder Josephson-Kontakt bekannt ist. In diesem Experiment zeigten sie, dass sie ein Phänomen kontrollieren und untersuchen konnten, bei dem sich alle geladenen Teilchen im Supraleiter einheitlich verhalten, als wären sie ein einziges Teilchen, das den gesamten Stromkreis ausfüllt.

Supraleitende Quantencomputer sind die Enkel des Nobelpreis-Experiments

Entscheidendes Bauteil dieses Systems der Preisträger ist der Josephson-Kontakt. Heute bildet diese Technologie die Grundlage für supraleitende Qubits in Quantencomputern von IBM, Google und anderen Unternehmen. Wobei diese Quantencomputern auf Basis von Supraleitung nicht die einzig mögliche Technologie für Quantencomputer sind.

Durch die Verfeinerung und Messung aller verschiedenen Eigenschaften ihrer Schaltung konnten die drei Preisträger die Phänomene, die beim Durchleiten eines Stroms auftraten, kontrollieren und untersuchen. Möglich war das erst durch einen von ihnen entwickelten Aufbau. Der Chip, auf dem sich der supraleitende elektrische Stromkreis befand, war etwa 1 cm groß. Bislang wurden Tunneln und Energiequantisierung in Systemen mit nur wenigen Teilchen untersucht; hier traten diese Phänomene in einem quantenmechanischen System mit Milliarden sogenannter Cooper-Paaren, quantenmechanisch zusammengeschlossener Elektronen, auf, die erst Supraleitung ermöglichen. Auf diese Weise übertrug das Experiment quantenmechanische Effekte von einer mikroskopischen auf eine makroskopische Ebene.

Physik-Nobelpreis 2025 baut auf Arbeit zweier vorheriger Preisträger auf

Basis für die Arbeit der drei bilden die Arbeiten zweier anderer Physik-Nobelpreisträger: So prognostizierte Bryan Josephson 1962 (Nobelpreis für Physik 1973, zusammen mit Leo Esaki and Ivar Giaever), dass selbst bei einem kleinen schwachen Glied oder einer Lücke im Leiter immer noch ein Superstrom fließen kann. Und er leitete einfache Gleichungen dafür ab, wie der Strom und die Spannung in dieser Verbindungsstelle mit der makroskopischen Wellenfunktion auf den beiden Seiten des schwachen Glieds zusammenhängen.

„Und es knüpfte sehr stark an diese brillante Arbeit von Tony Leggett an, der natürlich später auch den Nobelpreis erhielt“, erklärte Nobelpreisträger John Clarke, der live in die Pressekonferenz zugeschaltet war. Clarke kennt Josephson noch aus dem eigenen Studium: „Ich denke, dass er und Tony sich auch sehr darüber freuen werden, dass Michel Devoret und John Martinis den Nobelpreis gewonnen haben.“ Er zumindest, so betonte Clarke mehrfach, habe nie gedacht, dass ihre Experimente die Basis für einen Physik-Nobelpreis sein könnten. Anthony Leggett erhielt den Physik-Nobelpreis 2003 zusammen mit V. L. Ginzburg and A. A. Abrikosov.

Nobelpreis ebnete Weg zu Makroatomen

Laut Prof Göran Johansson, Mitglied des Physik-Nobelpreiskomitees, bietet die von den drei Preisträgern entwickelte Art von makroskopischem Quantenzustand neue Möglichkeiten für Experimente, die sich mit den Phänomenen der mikroskopischen Welt der Teilchen befassen. Man könne ihn als eine Art künstliches Atom in großem Maßstab betrachten – ein Atom mit Kabeln und Anschlüssen, das in neue Versuchsaufbauten integriert oder in der neuen Quantentechnologie eingesetzt werden kann. Künstliche Atome werden beispielsweise verwendet, um andere Quantensysteme zu simulieren und besser zu verstehen.

Johansson brachte in die Pressekonferenz einen modernen Quantenchip mit: „Der Siliziumchip ist das Quadrat in der Mitte, auf dem sich Supraleiter befinden. Auf diesem Chip befinden sich neun künstliche Atome. Man kann sie mit bloßem Auge sehen.“ So etwas tun zu können, das hätten die drei Preisträger herausgefunden. De facto bauen weltweit viele Forschungsgruppen auf den Erkenntnissen ihrer Experimente auf. „Seit 40 Jahren beschäftigen sich nun viele Gruppen weltweit mit der Erforschung der Quantenphysik auf einem Chip, der Konstruktion künstlicher Atome und der Erforschung der Quantenphysik in Bereichen, die mit natürlichen Atomen nur schwer zu erreichen sind, da man diese künstlichen Atome konstruieren kann.“