Physik: Nobelpreis für Grundlagen supraleitender Qubits verliehen
Der Nobelpreis für Physik geht 2025(öffnet im neuen Fenster) an John Clarke, Michel Devoret und John Martinis für ihre Arbeit an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara. Sie nutzten im Jahr 1985 Supraleiter, um einen quantenmechanischen Tunneleffekt über makroskopische Entfernungen in einer sogenannten Josephson-Junction nachzuweisen. Es handelt sich dabei um eine Lücke zwischen den Supraleitern, die eigentlich keinen Strom leiten können sollte, das im Experiment aber dennoch tut.
Der Grund ist, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Cooper-Paare – also quantenphysikalisch gebildeten Paaren von Elektronen, die den Effekt der Supraleitung verursachen – entsprechend der Schrödingergleichung außerhalb des Supraleiters zwar exponentiell abfällt, aber nicht null ist. Das macht keinen Unterschied, wenn sich nirgendwo außerhalb des Supraleiters ein Material befindet, in dem Cooper-Paare existieren könnten.
Das ist anders, wenn sich nur eine Lücke im Supraleiter befindet. Dann existiert eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Messung ein Cooper-Paar auf der anderen Seite der Lücke aufhält. Je größer die Lücke ist, desto kleiner wird die Wahrscheinlichkeit. Die Parameter, die in die Schrödingergleichung einfließen, können allerdings durch Mikrowellen beeinflusst werden, um die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns von Cooper-Paaren zu erhöhen oder zu verringern.
Ein Schwingkreis bildet ein Qubit
Der Quanteneffekt kann weiter ausgenutzt werden, indem ein Schwingkreis gebildet wird, also der Supraleiter hinter der Lücke mit dem Supraleiter vor der Lücke verbunden wird. Das Ergebnis ist ein Ring mit einer Lücke. Die Induktivität des Drahtes allein reicht aus, um eine Schwingung anzuregen, eine Spule wird nicht benötigt.
Mikrowellen können dann benutzt werden, um die Schwingungszustände in dem Schwingkreis von außen zu beeinflussen. Die Technik ist heute die Grundlage für den Bau von supraleitenden Qubits in Experimenten zum Bau von Quantencomputern. Bislang hatte keines dieser Experimente praktisch nutzbare Rechnungen und Ergebnisse demonstriert, die nicht auf die bloße Simulation zufälliger Abfolgen von Zuständen der Qubits in einem Quantenchip hinauslief.
John Clarke sagte im Interview während der Präsentation, dass er nicht mit dem Preis gerechnet hat. Er hält die Arbeit zwar für wichtig, seine Aussage vermittelte jedoch nicht den Eindruck, dass er sie für Nobelpreis würdig hielt.
Mit bloßem Auge ist die Lücke nicht erkennbar
Anders als in der Präsentation gesagt, war die damals gebaute Josephson-Junction mit bloßem Auge kaum sichtbar. Sie war nur 15 Mikrometer breit und 40 Mikrometer lang(öffnet im neuen Fenster) und somit zumindest ohne optische Hilfsmittel nicht als Lücke erkennbar.
Allerdings war auch schon vor 1985 ein optischer Quantentunneleffekt bekannt, der die Erklärung für die frustrierte Totalreflexion ist. Sie tritt auf, wenn sich in kleinem Abstand hinter einer Glasfläche, an der Totalreflexion stattfinden sollte, eine weitere Glasfläche befindet. Dann tunnelt Licht in einem mathematisch identischen Effekt durch die Lücke zwischen den beiden Glasflächen hindurch, statt reflektiert zu werden. Sobald die zweite Glasfläche entfernt wird, findet wieder Totalreflexion statt.
Der gleiche Effekt tritt auch mit Mikrowellen auf, wenn Paraffin statt Glas als Material für die Prismen verwendet wird. Da Mikrowellen eine Wellenlänge von mehreren Zentimetern haben, sind die Lücken in entsprechenden Demonstrationen leicht mit bloßem Auge sichtbar, man kann sogar die Finger in die Lücke stecken.