Verständnis und Nutzung makroskopischer Quanteneffekte

Clarke, Devoret und Martinis gewinnen Nobelpreis in Physik

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Die Physik-Nobelpreisträger 2025: John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis werden für ihre Entdeckungen zu makroskopischem Quantentunneln und Energiequantisierung in elektrischen Schaltkreisen ausgezeichnet.
Die Physik-Nobelpreisträger 2025: John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis werden für ihre Entdeckungen zu makroskopischem Quantentunneln und Energiequantisierung in elektrischen Stromkreisen ausgezeichnet.

John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis sind die Gewinner des Physik-Nobelpreises 2025. Das Komitee begründet die Entscheidung damit, dass sie entscheidend zum Verständnis und zur Nutzung makroskopischer Quanteneffekte beigetragen haben.

2024 sorgte die Entscheidung des Nobelkomitees, den Physikpreis an die KI-Pioniere Geoffrey Hinton und John Hopfield zu vergeben, für Aufsehen – und für Diskussionen. Zum ersten Mal wurde ein klar IT-geprägtes Thema geehrt, was von vielen als mutiger Schritt über die Grenzen der klassischen Physik hinaus gewertet wurde, während andere eine Verwässerung des Fachs befürchteten. Ein Jahr später fällt die Aufregung deutlich geringer aus: 2025 steht ganz im Zeichen der Quantenforschung, offiziell von der UN-Generalversammlung ausgerufen als „Quantenjahr“. Entsprechend wenig überraschend richteten sich die Erwartungen schon im Vorfeld auf Preisträger aus diesem Umfeld.

Nobelpreis für Physik 2025: Quantenphänomene auf makroskopischer Ebene

Der Nobelpreis für Physik 2025 geht an John Clarke (University of California, Berkeley), Michel H. Devoret (Yale University und University of California, Santa Barbara) und John M. Martinis (University of California, Santa Barbara). Die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften zeichnet die drei Forscher „für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in einem Stromkreis“ aus.

„Dieses Jahr geht es darum, der Quantenmechanik auf einer neuen Skala zu begegnen“, erklärte Hans Alegrien, Generalsekretär der Akademie, bei der Verkündung des Preises in Stockholm. Der Preis fällt in das offizielle „Jahr der Quantenphysik“ – 100 Jahre nach der Veröffentlichung von Werner Heisenbergs bahnbrechender Arbeit, die als Geburtsstunde der modernen Quantenmechanik gilt.

Von der Welt der Atome zur Welt der Stromkreise

„Es gibt heute keine fortgeschrittene Technologie, die nicht auf Quantenmechanik beruht“, betonte Professor Alexandre, Mitglied des Nobelkomitees für Physik. Beispiele seien allgegenwärtig: „Handys, Computer, Kameras und die Glasfaserkabel, die unsere Welt verbinden.“ Die Quantenmechanik ruhe auf mehreren Säulen, so Alexandre weiter – „vor allem auf der Energiequantisierung und dem quantenmechanischen Tunneleffekt“.

Diese Effekte galten lange als Phänomene der subatomaren Welt. Doch in den 1980er-Jahren gelang es Clarke, Devoret und Martinis, sie in einem makroskopischen System nachzuweisen – also in einer elektrischen Schaltung aus supraleitenden Materialien. Damit öffneten sie den Weg zu einer neuen Klasse von Quantensystemen, die heute die Grundlage vieler Quantencomputer bilden.

Wie Elektronen die Wand durchdringen

Professor Jöran Johansson, Mitglied des Nobelkomitees und Experte für Quantenphysik, erläuterte die physikalischen Hintergründe: „Beim klassischen Ballwurf prallt der Ball immer an der Wand ab. Ein quantenmechanisches Teilchen dagegen kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf der anderen Seite der Wand auftauchen – als ob es einen kleinen Tunnel durch sie hindurch gräbt.“

Dieses sogenannte Quanten-Tunneln erklärt unter anderem, warum radioaktive Teilchen aus einem Atomkern entweichen können. Doch die entscheidende Frage lautete, ob sich ein solcher Effekt auch in größeren, „makroskopischen“ Systemen beobachten lässt. 1978 hatte der spätere Nobelpreisträger Anthony Leggett die Idee formuliert, dass sich makroskopisches Quanten-Tunneln in supraleitenden Stromkreisen zeigen müsste. Genau das bestätigten Clarke, Devoret und Martinis 1985 mit einem bahnbrechenden Experiment.

Die Entdeckung des makroskopischen Quantentunnelns – Bilder und Erklärungen zum Physik-Nobelpreis 2025

Grafik der Königlichen Schwedischen Akademie der Wissenschaften mit Titel The Nobel Prize in Physics 2025 – Radioactive decay: Drei vereinfachte Potentialdiagramme zeigen links einen Atomkern (Nucleus), in der Mitte eine Energiebarriere (Barrier) und rechts das ausgetretene Alpha Particle. Eine gestrichelte rote Linie symbolisiert, dass das Teilchen durch die Barriere tunnelt – klassische Darstellung des quantenmechanischen Tunnelns beim Alphazerfall.
Beim radioaktiven Alphazerfall verlässt ein Teilchen den Atomkern, obwohl es die Energiebarriere eigentlich nicht überwinden dürfte. Dieses Verhalten ließ sich nur durch die Quantenmechanik erklären und wurde zum Urbild des Tunnelns auf subatomarer Ebene. Clarke, Devoret und Martinis knüpften Jahrzehnte später an dieses Prinzip an und übertrugen es auf elektrische Schaltkreise. Ihre Arbeiten bewiesen, dass dasselbe quantenmechanische Phänomen auch in makroskopischen Systemen existiert.
„Schaubild The Nobel Prize in Physics 2025 – Josephson junction: Drei horizontale Röhren zeigen oben einen normalen Leiter mit ungeordneten, streuenden Elektronen, in der Mitte einen Supraleiter mit geordneten, paarweise verbundenen Elektronen (Cooper-Paare) und unten zwei durch eine kleine Lücke verbundene Supraleiter – den Josephson-Kontakt. Die Illustrationen verdeutlichen, dass Elektronenpaare als makroskopischer Quantenzustand verlustfrei über eine schwache Verbindung tunneln können.“
In einem Supraleiter bewegen sich Elektronen als Cooper-Paare gemeinsam und bilden einen einzigen makroskopischen Quantenzustand. Wird zwischen zwei solcher Supraleiter ein schwacher Kontakt eingefügt, entsteht ein Josephson-Übergang, durch den ein verlustfreier Strom fließt. Diese Struktur bildete das zentrale Experimentierfeld der drei Preisträger. Clarke, Devoret und Martinis nutzten genau solche Josephson-Kontakte, um Quantenphänomene in einem System mit Milliarden Elektronen nachzuweisen.
„Folie Nobelpriset i Fysik 2025 – Macroscopic quantum tunnelling: Links zwei schematische Geräte mit Pfeilen, die zwischen zwei Zuständen springen, symbolisieren den Übergang zwischen energetischen Zuständen in einem Josephson-Kontakt. Rechts daneben ein Diagramm aus Devoret, Martinis, Clarke – Physical Review Letters 1985, das Temperatur (T in mK) gegen Schaltwahrscheinlichkeit zeigt: Schwarze Punkte (Quantum Junction) weichen von der klassischen Diagonale ab – direkter experimenteller Beweis makroskopischen Tunnelns.“
In einem Josephson-Schaltkreis kann der Strom zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln, obwohl dies klassisch ausgeschlossen wäre. Bei extrem tiefen Temperaturen registrierten Clarke, Devoret und Martinis spontane Übergänge dieser Art und identifizierten sie als makroskopisches Quantentunneln. Die Messdaten von 1985 zeigten deutliche Abweichungen vom klassischen Verhalten – ein direkter Beweis, dass ein makroskopisches Objekt quantenmechanisch tunnelt. Damit verschoben sie die Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Physik.
Darstellung Nobelpriset i Fysik 2025 – Energy-level quantisation: Links eine stilisierte Treppe, deren Stufen diskrete Energieniveaus repräsentieren; mehrere Alpha-Teilchen bewegen sich auf die Stufen zu. Rechts ein Diagramm aus Martinis, Devoret, Clarke – Physical Review Letters 1985 zeigt Energiedifferenzen (Eₙ₊₁–Eₙ)/h in GHz in Abhängigkeit vom Strom I – experimenteller Nachweis quantisierter Energieniveaus in einem supraleitenden Schaltkreis
Ein supraleitender Josephson-Schaltkreis kann Energie nur in diskreten Quanten aufnehmen, ganz wie ein Atom. Clarke, Devoret und Martinis bestrahlten ihre Schaltung mit Mikrowellen und beobachteten, dass sie Energie in festen Stufen absorbierte. Damit wiesen sie erstmals nach, dass sich ein makroskopisches System exakt wie ein künstliches Atom verhält. Diese Entdeckung gilt als Grundstein für heutige supraleitende Qubits in Quantencomputern.
Technisches Diagramm aus Martinis’ PhD thesis 1985 mit Beschriftung The Nobel Prize in Physics 2025: Längsschnitt eines Messaufbaus mit Power connector links, Microwave contact in der Mitte, Copper tubing als äußere Hülle und Copper powder to filter out noise im Inneren; rechts der Silicon chip with Josephson junction. Maßstabsbalken 10 mm – schematische Darstellung des supraleitenden Aufbaus zur Abschirmung gegen elektromagnetisches Rauschen.
Für ihre Experimente entwickelten Clarke, Devoret und Martinis einen aufwendig abgeschirmten Aufbau mit Kupferrohr und Pulverfilter, um Störrauschen nahezu vollständig zu eliminieren. Der supraleitende Chip mit dem Josephson-Kontakt befand sich darin in einer Umgebung, die thermisch und elektromagnetisch extrem ruhig war. Nur unter diesen Bedingungen konnten die schwachen quantenmechanischen Signale zuverlässig gemessen werden. Der Aufbau aus Martinis’ Dissertation wurde zum Prototyp für spätere Quantenchips.
Folie Nobelpriset i Fysik 2025 – The Nobel Prize in Physics 2025 mit Titel Quantum physics on a chip: links Symbol eines Atoms, rechts schematische Schaltung mit Glühbirne, daneben Stichpunkte – Engineereable artificial atoms, Probe quantum properties of mechanical oscillators, One of the platforms for quantum computers; Visualisierung der Übertragung quantenmechanischer Prinzipien auf mikroelektronische Chips nach den Experimenten von Clarke, Devoret und Martinis.
Mit den Experimenten von Clarke, Devoret und Martinis wurde Quantenphysik erstmals kontrolliert auf einem Siliziumchip realisiert. Die supraleitenden Schaltungen verhielten sich wie künstliche Atome, deren Energiezustände sich gezielt manipulieren ließen. Dieses Prinzip ermöglicht es, Quantenverhalten in mechanischen Oszillatoren und komplexen Systemen zu untersuchen. Die Arbeiten der drei Preisträger legten damit die Grundlage für eine der wichtigsten Plattformen moderner Quantencomputer.
Professor Göran Johansson, Mitglied des Nobelkomitees für Physik, hält während der Pressekonferenz zur Verkündung des Physik-Nobelpreises 2025 einen runden Quantenchip in der Hand. Im Hintergrund eine Folie mit der Aufschrift ‚Martinis’ PhD thesis 1985‘. Johansson ist Professor für Theoretical and Applied Quantum Physics an der Chalmers University of Technology und präsentiert den Chip als Beweis für die technische Umsetzung der Entdeckungen von Clarke, Devoret und Martinis
Während der Nobelpreisverkündung präsentierte Professor Göran Johansson, Mitglied des Nobelkomitees für Physik und Professor für Theoretical and Applied Quantum Physics an der Chalmers University of Technology, als Beweis einen modernen Quantenchip. Der Chip basiert direkt auf den Experimenten von Clarke, Devoret und Martinis und zeigt, wie makroskopische Quantenphänomene heute technisch nutzbar sind. Mit solchen supraleitenden Strukturen werden künstliche Atome erzeugt, deren Zustände sich gezielt steuern lassen. Die Demonstration verdeutlichte, wie aus Grundlagenforschung der 1980er-Jahre die physikalische Basis der Quantencomputer entstanden ist.

FAQ zum Physik-Nobelpreis

Wer erhielt den Nobelpreis für Physik 2025?
Der Nobelpreis für Physik 2025 geht an John Clarke (University of California, Berkeley), Michel Devoret (Yale University und University of California, Santa Barbara) und John Martinis (University of California, Santa Barbara). Sie werden für die Entdeckung des quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in elektrischen Stromkreisen ausgezeichnet.
Worum geht es beim Nobelpreis für Physik 2025?
Das diesjährige Thema dreht sich um den Nachweis, dass sich die Gesetze der Quantenmechanik – also Phänomene, die normalerweise nur im mikroskopischen Bereich gelten – auch in größeren, makroskopischen Systemen zeigen lassen. Die Forscher konnten beweisen, dass elektrische Ströme in winzigen supraleitenden Stromkreisen quantenmechanisch „tunneln“ können.
Was bedeutet „quantenmechanisches Tunneln“?
Im klassischen Verständnis kann ein Teilchen eine Barriere nicht überwinden, wenn es nicht genug Energie hat. In der Quantenmechanik ist das anders: Teilchen können „hindurchtunneln“, also auf der anderen Seite der Barriere auftauchen, obwohl sie diese eigentlich nicht überwinden dürften. Die Preisträger konnten dieses Phänomen erstmals in einem elektrischen Stromkreis nachweisen.
Warum ist dieser Nobelpreis für Physik so wichtig?
Der Nachweis makroskopischer Quanteneffekte zeigt, dass die Quantenmechanik nicht nur für Atome gilt, sondern auch für größere Systeme. Diese Erkenntnis ist die Grundlage moderner Technologien wie Quantencomputer, die auf supraleitenden Stromkreisen beruhen.
Was haben die Forscher genau gemessen?
Sie arbeiteten mit sogenannten Josephson-Kontakten – winzigen Verbindungen zwischen zwei Supraleitern. Dabei beobachteten sie, dass der elektrische Strom zwischen zwei Zuständen „springen“ kann, obwohl das nach klassischer Physik unmöglich wäre. Diese Sprünge sind der direkte Beweis für makroskopisches Quantentunneln.
Wie hängt das mit Quantencomputern zusammen?
Die in den ausgezeichneten Experimenten verwendeten supraleitenden Stromkreise sind eng verwandt mit den Stromkreisen, die heute in Quantencomputern eingesetzt werden. Durch die Arbeit der drei Forscher wurde die technische Basis gelegt, um Quantenphänomene gezielt zu steuern und für Rechenoperationen zu nutzen.
Was ist der Nobelpreis für Physik?
Der Nobelpreis für Physik ist die weltweit renommierteste Auszeichnung im Bereich der Physik. Er wird jedes Jahr am 10. Dezember in Stockholm verliehen und ehrt die bedeutendste Entdeckung oder Erfindung, die der Menschheit den größten Nutzen gebracht hat.
Wer vergibt den Nobelpreis für Physik?
Der Nobelpreis für Physik wird von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften vergeben. Diese Institution prüft alle Nominierungen, entscheidet über die Preisträger und verkündet das Ergebnis Anfang Oktober. Die Entscheidung ist endgültig und nicht anfechtbar.
Wie läuft die Nominierung für den Nobelpreis für Physik ab?
Der Nominierungsprozess für den Nobelpreis für Physik startet im September. Wissenschaftler weltweit werden eingeladen, Kandidaten vorzuschlagen. Bis zum 1. Februar müssen die Nominierungen eingereicht werden. Ein Komitee prüft die Vorschläge und empfiehlt der Akademie eine Auswahl, die schließlich im Oktober die endgültigen Preisträger bestimmt. Alle Unterlagen bleiben 50 Jahre geheim.
Wie hoch ist das Preisgeld des Nobelpreises für Physik?
Das Preisgeld für den Nobelpreis für Physik beträgt derzeit 11 Millionen Schwedische Kronen, das sind rund 1 Million Euro. Das Geld wird unter den Preisträgern der jeweiligen Kategorie gleichmäßig aufgeteilt.
Wer war der erste, jüngste und älteste Preisträger des Nobelpreises für Physik?
Der erste Physik-Nobelpreisträger war Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1901. Der jüngste Preisträger war William Lawrence Bragg (1915) mit 25 Jahren, der älteste Arthur Ashkin (2018) mit 96 Jahren.
Wie viele Personen erhielten bisher den Nobelpreis für Physik?
Bis Ende 2023 wurden insgesamt 224 Personen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Nur fünf davon sind Frauen: Marie Curie, Maria Goeppert-Mayer, Donna Strickland, Andrea Ghez und Anne L’Huillier.
Gab es Familien, die mehrfach den Nobelpreis für Physik erhielten?
Ja. Marie und Pierre Curie wurden 1903 gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Auch mehrere Vater-Sohn-Paare erhielten ihn, etwa Niels und Aage Bohr oder William und Lawrence Bragg.
Wie viele Personen teilen sich den Nobelpreis für Physik pro Jahr?
Der Nobelpreis für Physik wird in der Regel an bis zu drei Wissenschaftler pro Jahr vergeben. Historisch gab es 47 Einzelpreise, 32 Doppelvergaben und 37 Dreiervergaben (Stand 2022).
Welche Länder haben die meisten Preisträger des Nobelpreises für Physik hervorgebracht?
Die USA führen mit 96 ausgezeichneten Forschern, gefolgt vom Vereinigten Königreich mit 26,5 und Deutschland mit 25,5 Preisträgern. Insgesamt stammen die Physik-Nobelpreisträger aus 18 Nationen.
Gab es Kontroversen um den Nobelpreis für Physik?
Ja, mehrere bedeutende Physikerinnen und Physiker gingen trotz wiederholter Nominierungen leer aus. Dazu zählen Lise Meitner, Chien-Shiung Wu, Jocelyn Bell Burnell und Arnold Sommerfeld, der 84-mal nominiert wurde, aber nie ausgezeichnet wurde.
Was sind die Nobelsymposien zum Nobelpreis für Physik?
Seit 1965 veranstaltet das Nobelkomitee sogenannte Nobelsymposien, in denen aktuelle physikalische und gesellschaftlich relevante Themen diskutiert werden. Etwa 30 dieser Symposien widmeten sich bisher der Physik.

Der Josephson-Kontakt und der Sprung zwischen Zuständen

Ihr Versuchsaufbau beruhte auf dem sogenannten Josephson-Kontakt – einer schwachen Verbindung zwischen zwei Supraleitern. In einem Supraleiter bewegen sich Elektronen paarweise, sogenannte Cooper-Paare, die gemeinsam einen makroskopischen Quantenzustand bilden.

„Wenn man einen Strom durch den Josephson-Kontakt schickt, kann das System zwischen zwei Zuständen wechseln – einem ohne Spannung und einem mit messbarer Spannung“, erklärte Johansson. „Klassisch wäre dieser Übergang unmöglich. Doch die Forscher konnten zeigen, dass das System trotzdem springt – ein klarer Beweis für makroskopisches quantenmechanisches Tunneln.“

Die Experimente wurden 1985 an der University of California, Berkeley, durchgeführt: Clarke leitete das Projekt, Martinis war damals Doktorand, Devoret Postdoktorand aus Frankreich. Gemeinsam entwickelten sie auch neue Filter, um ihre supraleitenden Schaltungen von Umwelteinflüssen abzuschirmen – eine entscheidende Voraussetzung, um die empfindlichen Quanteneffekte sichtbar zu machen.

Quantisierte Energie auf einem Chip

Neben dem Nachweis des Tunnelns gelang ihnen ein zweiter Meilenstein: Durch die Bestrahlung der Josephson-Schaltung mit Mikrowellen konnten sie zeigen, dass das System Energie in diskreten Quantenpaketen absorbiert – ein Verhalten, das man zuvor nur von einzelnen Atomen kannte.

„Damit konnten sie belegen, dass ein makroskopisches Objekt Energie quantisiert aufnimmt“, erklärte Johansson. „In ihrem System existieren Milliarden von Cooper-Paaren – und doch verhält es sich wie ein einzelnes Quantenobjekt.“ Diese Erkenntnisse gelten heute als Grundstein für supraleitende Qubits, die zentrale Bausteine moderner Quantencomputer sind.

„Eine Überraschung meines Lebens“

In der Liveschaltung zur Preisverkündung zeigte sich John Clarke tief bewegt: „Es war – um es milde auszudrücken – eine Überraschung meines Lebens“, sagte der 88-Jährige. „Wir hatten damals keinerlei Vorstellung, dass unsere Arbeit einmal Grundlage für einen Nobelpreis sein könnte.“ Clarke erinnerte an die enge Zusammenarbeit seines Teams: „Diese Entdeckung wäre ohne meine beiden Kollegen nie möglich gewesen. Ihre Beiträge waren entscheidend.“

Bedeutung des Physik-Nobelpreises 2025

Mit der Auszeichnung würdigt die Akademie nicht nur eine historische Leistung der 1980er-Jahre, sondern auch die Grundlage einer neuen Ära der Physik. Wie Johansson zusammenfasste: „Die drei Laureaten haben gezeigt, dass Quantenphänomene nicht auf den Mikrokosmos beschränkt sind. Sie haben sie auf einen Chip gebracht – und damit den Weg für die heutige Quantenforschung geebnet.“

Der Autor: Dr. Martin Large

Martin Large

Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.

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