Physik-Nobelpreis 2025 Nobelpreis für makroskopische Quanten-Tunnelung: Die drei schlauen Köpfe dahinter

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John Clarke, Michel Devoret und John Martinis werden für den Nachweis des makroskopischen Tunneleffekts in supraleitenden Stromkreisen ausgezeichnet – ein Durchbruch, der den Weg zu modernen Quantencomputern ebnete. Wir beleuchten die Forscher und ihre Ergebnisse.

Wer im Dezember den diesjährigen Nobelpreis für Physik erhalten wird, wurde wie üblich bereits Anfang Oktober verkündet. In diesem Jahr wurden drei Forscher ausgewählt, welche bereits in den 1980er-Jahren durch theoretische Überlegungen und praktische Experimente die Arbeit leisteten, die nun prämiert wurde. Wie so oft wurde aber erst viele Jahre später klar, wie wichtig die Erkenntnisse im Nachhinein waren. Ausgezeichnet wurden John Clarke, Michel Henri Devoret und John Matthew Martinis für den Nachweis des makroskopischen quantenmechanischen Tunneleffekts in supraleitenden Stromkreisen.

Vereinfacht bedeutet das, dass kleinste Teilchen durch ein Material respektive eine Barriere hindurchdringen können, an der sie normalerweise nach den Gesetzen der Physik abprallen würden. Die Erkenntnisse durch den Tunneleffekt sind eine wichtige Basis für viele moderne, elektronische Produkte – in einigen Speichertechnologien spielen Tunneleffekte etwa eine Rolle. Wir schauen uns das Leben der drei Nobelpreisträger an und erklären, worum es beim Tunneleffekt im Detail geht.

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Tunneleffekt: Wenn Teilchen eine Barriere durchdringen

Der Tunneleffekt stammt aus dem Bereich der Quantenmechanik. Es handelt sich dabei um das Phänomen, dass einzelne Teilchen eine Barriere überwinden können, die aus Sicht der klassischen Physik für die Teilchen eigentlich nicht zu überwinden sein dürfte. Ein anschauliches Beispiel wäre eine geschlossene Türe, gegen die man läuft und die man natürlich nicht durchdringen kann. In der Quantenmechanik könnte aber die Person, die hier sinnbildlich für ein Teilchen steht, in einigen wenigen Fällen die Türe doch durchschreiten.

Denn es gibt in der Quantentheorie eine kleine Wahrscheinlichkeit dafür, dass etwa ein auf eine Barriere treffendes Elektron bei einer genauen Betrachtung nicht vor der Barriere entdeckt wird, sondern dahinter. Erklärt wird dies, indem man das sich bewegende Teilchen als Wellenform beschreibt. Die Welle trifft auf die Barriere und wird in ihr exponentiell stark abgeschwächt – ihre Amplitude ist aber auch am Ende der Barriere nicht gleich Null. Somit ist auch die Wahrscheinlichkeit, das zur Welle gehörende Teilchen hinter der Barriere zu finden, nicht gleich null.

Erste Beobachtungen quantenmechanischer Effekte stammen aus der Zeit um 1900, der Tunneleffekt selbst wurde jedoch erst in den 1920er-Jahren theoretisch beschrieben, unter anderem von George Gamow und Ronald Gurney sowie Edward Condon, und zwar zur Erklärung des Alphazerfalls. Der mit dem Tunneleffekt verwandte Klein-Paradoxon wurde 1929 von Oskar Klein beschrieben.

Nobelpreis für den Nachweis einer makroskopischen Tunnelung

Mit dem Tunneleffekt konnte man beispielsweise den Alphazerfall von Atomkernen erklären. Ebenso basiert die Erklärung für die Existenz von Sternen auf dem Tunneleffekt. Denn ohne den Effekt könnten bei den in Sternen festgestellten Druckverhältnissen und Temperaturen keine Kernfusionen stattfinden. Auch in der Chemie und Biologie spielt der Tunneleffekt eine Rolle.

Im Falle der drei frisch gebackenen Nobelpreisträger geht es um den Nachweis des makroskopischen, quantenmechanischen Tunnelns sowie der Energie-Quantisierung in einem Stromkreis. Das Verdienst von Clarke, Devoret und Martinis ist, dass sie die ersten Forscher waren, die in den 1980er-Jahren den Tunneleffekt auf makroskopischer Ebene aufzeigen konnten. Zuvor ging man davon aus, dass die Tunnelung nur auf subatomarem Level stattfinden kann.

Für den Nachweis entwickelte das Trio basierend auf vorigen Berechnungen und Überlegungen einen Josephson-Kontakt, einen Supraleiter-Schaltkreis, der eine nicht leitende Barriere enthält. Diesen kühlten die Forscher stark herunter und speisten ihn mit einer kleinen Spannung. Obwohl kein Strom fließen dürfte, war dennoch ein Strom messbar. Denn die Elektronen, die sich bei einem Supraleiter zu sogenannten Cooper-Paaren verbinden, konnten die Barriere durch den Tunneleffekt überwinden. Durch diese Erkenntnisse legten die drei Wissenschaftler die Basis für supraleitende Qubits, die heute in Quantencomputern eingesetzt werden.

John Clarke – die Vaterfigur des Trios

Kommen wir nun zu einem Blick auf das Leben des Physik-Nobelpreisträger-Trios. Wir starten mit dem ältesten der drei, nämlich dem Briten John Clarke, der am 10. Februar 1942 in Cambridge geboren wurde. Über sein Leben gibt es nicht besonders viel öffentlich Bekanntes, aber wir wissen, dass er in seiner Heimatstadt Cambridge auch studierte und dort im Jahr 1964 seinen Bachelor-Abschluss in Physik machte. 1968 erwarb er ebenfalls an der Universität von Cambridge seinen Master sowie einen Doktortitel und siedelte ein Jahr später in die USA über.

Ab dem Jahr 1969 lehrte er an der University of California in Berkeley als Professor und arbeitete zudem als Wissenschaftler im zur Universität gehörenden Lawrence Berkeley National Laboratory. Schon ein Jahr später honorierte man ihn mit einem Forschungsstipendium der Alfred P. Sloan Foundation. 1977 kam ein Forschungsstipendium von Guggenheim dazu. In Wissenschaftskreisen machte er sich zunehmend einen Namen und wurde 1982 zum offiziellen Mitglied der American Association for the Advancement of Science gewählt. 1986 nahm auch die legendäre britische Royal Society John Clarke als Mitglied auf. Weitere Ehrungen durch eine Aufnahme als Mitglied in Wissenschaftsvereinigungen ließen zwar dann eine Weile auf sich warten, kamen aber 2012, 2015 und 2017 hinzu. 1999 hatte er zudem den Comstock-Preis für Physik erhalten.

Der nun Anfang Oktober verkündete Nobelpreis für Physik ist seine bei Weitem größte Ehrung, die aber ohne die beiden ebenfalls ausgezeichneten, deutlich jüngeren Mitstreiter Michel Devoret und John Martinis nicht möglich gewesen wäre. Beide arbeiteten in den 1980er-Jahren nämlich zusammen mit Clarke im Lawrence Berkeley National Laboratory. Wir blicken nun auf John M. Martinis, der vor Michel Devoret bereits in Berkeley tätig war.

John M. Martinis – Quantencomputer als Vision

Geboren wurde John M. Martinis im Jahr 1958 in den USA. Ein genauer Geburtstag oder Geburtsort ist öffentlich nicht bekannt. Er studierte aber ab dem Jahr 1976 an der University of California in Berkeley, machte dort 1980 seinen Abschluss und arbeitete in den dortigen Laboren weiter, in denen auch John Clarke Professor war. Die Experimente zusammen mit Clarke und Devoret waren auch wichtige Grundlagen für die Dissertation von John M. Martinis, mit der er 1987 promovierte.

Das Thema der Dissertation sind Josephson-Junctions und quantisierte Energieniveaus, heutzutage als Qubits bekannter. Ein Qubit (Quantenbit) ist ein Quantensystem mit exakt zwei möglichen Zuständen, das man nur durch die Quantenmechanik beschreiben kann. Ein Qubit kann als kleinstmögliche Speichereinheit und analog zu einem Bit aus der Computertechnik gesehen werden. Nach seiner Promotion war Martinis unter anderem in der staatlichen französischen Forschungsstätte CEA in Saclay nahe Paris sowie der US-Bundesbehörde NIST (National Institute of Standards and Technology) tätig.

Im NIST war er unter anderem im Themengebiet der Supraleiter im Einsatz, wodurch auch ein spezielles Thermometer entwickelt wurde, das Anfang der 2000er-Jahre zur Messung der Boltzmann-Konstante verwendet wurde. Mit der Konstante kann man in Kelvin gemessene Temperaturen in Energie umrechnen. Im Jahr 2004 kehrte John M. Martinis wieder nach Berkeley zurück und nahm dort eine Professorenstelle an. Von 2014 bis 2020 war er zudem der Leiter eines Projektes bei Google, um einen fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen. Seit 2020 berät Martinis ein australisches Startup für Quanten-Computing, das von der im Bereich der Quantenphysik angesehenen australischen Professorin Michelle Simmons ins Leben gerufen wurde. 2023 war er einer von drei Gründern von Qolab, einem Start-up, das einen Quantencomputer auf Basis von supraleitenden Qubits entwickelt. Mit dem Nobelpreis für Physik dürften Martinis nun weitere Türen für derartige Projekte offenstehen.

Michel Devoret – nur kurz in Berkeley, aber voll eingebunden

Last but not least kommen wir nun noch zum dritten Physik-Nobelpreisträger 2025, dem Franzosen Michel Devoret. Geboren wurde er 1953 in Paris – auch bei ihm fehlt uns die Information zu einem genauen Geburtstag. Sein Studium absolvierte er an der Ingenieurshochschule École Nationale Supérieure des Telecommunications und machte dort im Jahr 1975 seinen Abschluss. Seinen Doktortitel erwarb er im Jahr 1982 an der Universität Paris-Süd, die außerhalb der Tore von Paris in Orsay liegt. Für seine Doktorarbeit war er unter anderem am CEA in Saclay, wo auch John M. Martinis eine Weile tätig war. Kurz nach seiner Promotion ging Michel Devoret nach Berkeley und arbeitete dort im Labor von John Clarke. Spätestens dort lernte er John M. Martinis kennen.

Zusammen mit ihm und Professor John Clarke kam es dann zu der Forschung und den Experimenten zum makroskopischen Tunneleffekt. Michel Devoret ging allerdings nach zwei Jahren ans CEA zurück, blieb aber eng verbunden mit Clarke und Martinis sowie dem Projekt zum Tunneleffekt. Im CEA spezialisierte sich Devoret später auf Quanteneffekte in der Elektronik, die zwischen makroskopischer und mikroskopischer Ebene stattfinden.

Auf diesem Gebiet, das man auch Circuit-Quantenelektrodynamik nennt, gilt Devoret als einer der Pioniere. Am CEA war er für einige Jahre zudem der Forschungsleiter. 2002 nahm Devoret eine Stelle als Professor an der Universität in Yale (New Haven, Connecticut) an. Von 2007 bis 2012 hatte er eine Professur am Collège de France, einer angesehenen Universität in Paris. Seit 2024 ist Michel Devoret an der University of California in Santa Barbara tätig und kooperiert mit wissenschaftlichen Teams von Googles Quantum AI. (sb)

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