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Ein Quanten-Preis zum Quantenjahr

Im letzten Jahr hat die Entscheidung des Preiskomitees, den Physik-Nobelpreis 2024 an John J. Hopfield und Geoffrey E. Hinton für ihre wegweisenden Entdeckungen und Entwicklungen, die maschinelles Lernen mit künstlichen neuronalen Netzen ermöglichen, zu verleihen, die Bandbreite der Physik und ihrer interdisziplinären Bedeutung für Fortschritt und Gesellschaft verdeutlicht: Physik ist mehr.

In diesem Jahr scheint das Komitee zu den Wurzeln der Physik zurückzukehren, ohne dabei die Zukunft aus den Augen zu verlieren: Am 10. Dezember 2025 wird John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis der Nobelpreis für Physik 2025 „for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit“ verliehen werden, also letztlich für die sehr konkrete Erforschung und Anwendung physikalischer Grundkonzepte, die dann auch zur Entstehung der Quantentechnologie als neues Fachgebiet beigetragen haben. Selten habe ich beim Lesen des wissenschaftlichen Hintergrunds zum Preis so viel verstanden wie in diesem Jahr. Selten ist so deutlich geworden, wie diese Grundlagen und Konzepte in die Arbeit der Preisträger eingeflossen sind, in Teilen auch eine Reise durch die Geschichte des Nobelpreises und seiner Träger (und viel zu wenigen Trägerinnen).

In ihren Experimenten, die die drei Preisträger gemeinsam an der University of California durchführten und deren Ergebnisse sie unter anderem in

• M. H. Devoret, J. M. Martinis, D. Esteve, J. M. Clarke, „Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction“, Phys. Rev. Lett. 53, 1260 (1984),
• M. H. Devoret, J. M. Martinis, J. Clarke, „Measurement of Macroscopic Quantum Tunneling out of a Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction“, Phys. Rev. Lett. 55, 1908 (1985) oder
• J. Clarke, A. N. Cleland, M. H. Devoret, D. Esteve, J. M. Martinis, „Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction“, Science 239, 992 (1988).

veröffentlichten, zeigten sie, wie Quantentunneln auf makroskopischer Skala in einem elektrischen Schaltkreis mit zwei Josephson-Kontakten messbar wird.

Basis für diese Experimente war das Wissen um

• den Tunneleffekt als solchen, wie ihn George Gamow 1928 als quantenmechanischen Prozess beim Alpha-Zerfall eines Atomkerns beschrieben hatte,
• die Erklärung des Phänomens der Supraleiter durch Cooper-Paare in der B(ardeen)C(ooper)S(chrieffer)-Theorie (Nobelpreis für Physik 1972),
• die Arbeiten von Leo Esaki und Ivar Giaeve zu Tunneleffekten in Halb- und Supraleitern, sowie von Brian David Josephson zur theoretischen Vorhersage des inzwischen nach ihm benannten Josephson-Effektes (Nobelpreis für Physik 1973 und
• die Beiträge von Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg and Anthony J. Leggett zur Theorie der Supraleitung und Suprafluidität (Nobelpreis für Physik 2003).

Insbesondere die theoretischen Arbeiten von Anthony Legget über makroskopisches Quantentunneln in Josephson-Kontakten gaben den Anstoß zu den von Clarke, Devoret und Martinis durchgeführten Experimenten. Last but not least wurde und wird das von den Preisträgern experimentell geschaffene makroskopische Quantensystem gerne mit dem von Erwin Schrödinger (Nobelpreis für Physik 1933) in einem Artikel von 1935 ersonnenen Gedankenexperiment zur Übertragung quantenmechanischer Begriffe auf die makroskopische Welt, Schrödingers Katze, verglichen.

Soweit die geschichtlichen Aspekte des Preises, letztlich haben die Arbeiten der diesjährigen Preisträger aber Tür und Tor für neuere und zukünftige (quantentechnologische) Entwicklungen geöffnet:

• Künstlichen „Atome“ auf makroskopischer Skala, durch die weitere Quantensysteme simuliert werden konnten und können, was zu einem tieferen Verständnis quantenphysikalischer (mikroskopischer) Effekte führt.
• Qubits (Quantum Bits) in Supraleiter-Schaltungen sowie die cQED (circuit Quantum Elektrodynamics) als Bauelemente von Quantencomputern.

Fachgebiete, wie z.B. die Quantenoptik, konnten ihr Forschungsspektrum auf Bereiche ausdehnen, die atomphysikalisch nicht zugänglich sind, was sehr schön in der Arbeit des Exzellenzclusters PhoenixD am Beispiel konkreter Demonstratoren zu sehen ist.

Eine eigene Zusammenfassung ihrer Arbeiten geben Clarke, Devoret und Martinis mit einem 2020 erschienenen Artikel in Nature Physics: Quantum Josephson junction circuits and the dawn of artificial atoms.

Wer darüber hinaus weitere Fachliteratur zu den Forschungsthemen des Physik-Nobelpreises 2025 erkunden will, wird selbstverständlich im TIB-Portal fündig, z.B. mit Suchanfragen nach den Schlagworten

• Josephson-Kontakt
• Qubit
• Quantencomputer

Auch die freie Suche nach Qubit Josephson liefert viele interessante Treffer und zeigt mit der hohen Zahl an Patentinformationen die Relevanz dieser Themen für industrielle Anwendungen.

Wie in jedem Jahr teste ich die arXiv-Affinität der Preisträger und bin 2025 erfreut: Sowohl John Clarke als auch Michel H. Devoret und John M. Martinis sind mit einer großen Zahl an Papern auf arXiv vertreten.

Umfangreiche Publikationslisten der drei Autoren lassen sich selbstverständlich in kostenpflichtigen Literaturdatenbanken, wie zum Beispiel Web of Science oder Scopus erfragen, eine „offene“ Variante ist die Nutzung von OpenAlex. Hier sind von John Clarke über 700, von Michel H. Devoret mehr als 500 und von John M. Martinis über 600 Veröffentlichungen nachgewiesen. Dass es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um die richtigen Autoren handelt, lässt sich über die ausgezeichneten Filterfunktionen in OpenAlex feststellen.

Die 2025 Nobel Prize Lectures in Physics können wir am 8. Dezember 2025 ab 9 Uhr live verfolgen.

Für eine funktionierende Wissenschafts- und Publikationskultur

Auf eine weitere wichtige Aktivität der den Nobelpreis für Physik zu verantwortenden Organisation, der Royal Swedish Academy of Sciences, möchte ich an dieser Stelle hinweisen: Im Sommer 2025 hat diese einen Workshop veranstaltet, der sich mit dem zunehmenden Problem von Fake Science in Publikationen befasst hat. Entstanden ist dabei die Stockholm Declaration, die neben einer guten Übersicht bisheriger Deklarationen für Reformen im wissenschaftlichen Publikationswesen kurz und prägnant wesentlichen Punkte zur Sicherstellung einer auch in Zukunft (und in Zeiten Generativer AI) funktionierenden Wissenschafts- und Publikationskultur aufführt. Mögen sie in den Communities Gehör finden!

Wer die Stockholm Declaration unterschreiben möchte, kann das hier tun: https://sciii-it.org/stockholm-declaration/

Exzellente (Quanten)Forschung an der Leibniz Universität Hannover

Ende Mai ist es in einer Pressemitteilung bekannt gegeben worden: Die drei Exzellenzcluster an der Leibniz Universität Hannover (LUH) PhoenixD, QuantumFrontiers und Hearing4all.connects gehen in die Verlängerung. Herzliche Glückwünsche! Ein schöner Anlass, um hier im TIB-Blog die Exzellenzcluster mit ihren Forschungsschwerpunkten kurz vorzustellen und der Quantenphysik in ihren Forschungsinhalten nachzuspüren.

QuantumFrontiers

Bei QuantumFrontiers wird der Quantenbezug ziemlich offensichtlich im Namen des Clusters hergestellt. In der Presseinformation lesen wir über den Exzellenzcluster: „Zentrales Ziel ist, Messungen an der Quantengrenze mit bisher unerreichter Präzision durchzuführen – und sowohl die Grundlagenforschung voranzutreiben, als auch Anwendungen in der Quantentechnologie zu erschließen“ und „Mit der Quantenmetrologie dringen wir in unerforschtes Gebiet vor und erreichen nie dagewesene Präzision.“ Das zentrale Thema und gemeinsamer Nenner der sehr speziellen Forschungsprojekte in QuantumFrontiers ist also die Quantenmetrologie. Die Anwendungen sind dann erstaunlich vielfältig: von der Optischen Uhr über Gravitationswellendetektoren, Quantensensoren und Quantencomputern bis hin zu Kalten Atomen im Weltall, um nur einige wenige zu nennen. Salopp gesagt: Wenn die Menschheit Technologien basierend auf Quanteneffekten entwickeln und nutzen will, muss sie natürlich auch auf Quantenebene messen können!

Suche ich im TIB-Portal nach Quantenmetrologie, erlebe ich einen kleine Überraschung: Dachte ich doch, dass die Quantenmetrologie ein eher neues Thema sei, was auch die zeitliche Entwicklung der Treffer zeigt. Erst ab Mitte der 2000er Jahre steigt die jährliche Zahl der Treffer auf Werte über zehn, ab 2013 dann auf dreistellige Werte. ABER: Der Begriff Quantum Metrology wurde bereits Ende der 1960er Jahre eingeführt und bereits 1983 erschien eine umfangreiche Abhandlung mit dem Titel Quantum Metrology and Fundamental Physical Constants.

PhoenixD

Der Exzellenzcluster PhoenixD macht es mir etwas schwerer, auf den Quantenpfad zu kommen. Erstmal bin ich etwas erschlagen angesichts des Spektrums seiner Forschung unter dem Label Photonics, Optics, Engineering Innovation – Across Disciplines. Ich irre über die PhoenixD-Website, sehe viel Optik, sehe vor allem die Beiträge aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik, der Werkstoffkunde und der Chemie, der Mathematik und der Informatik zu den Forschungsschwerpunkten Simulation und Fertigung in PhoenixD. Die Physik oder gar die Quantenphysik vermute ich dann in den Bereichen, die sich mit Aspekten der Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigen. Glücklicherweise hilft hier auch die Presseinformation weiter:

„Ziel ist es, optische Präzisionsgeräte schnell und kostengünstig zu entwickeln, um neuartige Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, der Lebensmittelproduktion sowie der Telekommunikation- und Quantenkommunikation zu ermöglichen. Dafür arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den sechs Fachgebieten Maschinenbau, Physik, Elektrotechnik, Informatik, Mathematik und Chemie zusammen und erforschen die Manipulation und Detektion von Laserlicht.“

Da sind sie, die wichtigen Begriffe Quantenkommunikation und Laserlicht, Quantenphysik und Quantenoptik! Wenn ich in Web of  Science, einer der von der TIB für die LUH bereitgestellten Fachdatenbanken nach Veröffentlichungen des Exzellenzclusters 2122 suche, erhalte ich 600 Treffer, die sich irgendwo in ihren Metadaten auf EXC-2122 beziehen. Jetzt geht der Spaß erst richtig los. Die Filterfunktion ermöglicht mir, diese Treffer nach bestimmten Aspekten zu analysieren:

• Aus welchen Einrichtungen stammen die Paper? LUH, TU Braunschweig, Laser Zentrum Hannover, …
• Aus welchen Departments und Instituten? Fakultät für Mathematik und Physik, Institut für Quantenoptik(!), Hannoversches Zentrum für Optische Technologien, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Anorganische Chemie, Institut für Organische Chemie, Fakultät für Maschinenbau, … Tatsächlich viel Quantenoptik wenn man nach der Zahl der dem IQO zugeordneten Paper geht.
• Aus welchen WoS-Fachgebieten? Materials Science Multidisciplinary, Optics, Physics Applied, Nanoscience Nanotechnology, Chemistry Physical, Chemistry Multidisciplinary, Engineering Electrical Electronic, Physics Condensed Matter, Computer Science Artificial Intelligence, Mechanics, Mathematics Interdisciplinary Applications, … und last but not least
• Wo sind die Paper erschienen? Proceedings of SPIE, Optics Express, Sensors, Optics Letters, Scientific Reports, Carbon, Physical Review B, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Physical Review A, … Dieses Ergebnis erfreut mich besonders, da ich mich vor Jahren gemeinsam mit meinen Kolleg:innen dafür eingesetzt habe, dass die SPIE Digital Library als Allianzlizenz angeboten wurde, weil unser Eindruck war, dass sie u.a. in Hannover aufgrund der Forschungsschwerpunkte gut genutzt würde. Sic! Auch dass eifrig in den Journals von Optica publiziert wird, passt.

Web of Science beantwortet auch die Frage nach den am stärksten zitierten Papern aus der Forschung von EXC-2122:

• Exceptional piezoelectricity, high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4 family confirmed by first-principles
• Same Same But DifferNet: Semi-Supervised Defect Detection with Normalizing Flows 
• First‐Principles Multiscale Modeling of Mechanical Properties in Graphene/Borophene Heterostructures Empowered by Machine‐Learning Interatomic Potentials

Wer eine vollständige Übersicht aller über 900 Paper von PhoenixD möchte, der sei auf die PhoenixD-Seite im Fachinformationssystem der LUH verwiesen. Leider ist hier die Analyse der Paper nicht so möglich wie in einschlägigen Fachdatenbanken.

Hearing4All

Hearing4All, das inzwischen seine dritte Förderperiode erreicht hat, hat zum Ziel, „die Prognose, Diagnostik und Behandlung von Hörverlust zu verbessern.“ Insbesondere die Nutzung von KI-basierten Systemem steht in der neuen Förderperiode im Fokus. Beteiligt an Hearing4All sind Wissenschaftler:innen aus der Medizinischen Physik, Psychologie, Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, den Neurowissenschaften, Ingenieurwissenschaften und der Linguistik.

In diesem Cluster ist die LUH nach der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und der Medizinischen Hochschule Hannover eher der kleine Bruder: Suche ich die Paper des Clusters in der Fachdatenbank Scopus an, so finde ich über 300 Treffer, die EXC-2177 als Funding information tragen. Filtere ich dann nach den Fachgebiet Physics and Astronomy, reduziert sich die Zahl der Paper auf 49, die überwiegend in Konferenzbänden oder Journals stammen, die Audio und Speech oder Acoustic im Namen tragen. Aber immerhin: Sieben der Paper haben Autor:innen, die am Institut für Quantenoptik der LUH arbeiten, eines davon hat einen Titel, der auch mir verständlich macht, was die Quantenoptik für die Forschung zur Behandlung von Hörverlust tun kann: Optoacoustic tones generated by nanosecond laser pulses can cover the entire human hearing range.

The Map of (Quantum) Physics

Zum Schluss dieses Beitrags ein kleines Fundstück, das ich kürzlich in Form eines Bildes abgedruckt auf der letzten Seite eine Buches sah, das aber eigentlich ein YouTube-Video ist und sehr anschaulich zeigt, wo sich die Quantenphysik warum in der Map of Physics verorten lässt. Ab Sekunde 302 ist es soweit:

Vorgeschichte mit QUEST

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Go Live der neuen DBIS-Version am 15. Oktober 2024

https://dbis.ur.de/projekt

Bin mal gespannt. Krieg das immer nur via des Projekt-RSS mit. Ob man die Suche dann diesmal gleich einfach und elegant in die eigene Webseite integrieren kann? Na, we'll see.

#DBIS #Fachdatenbanken #Recherche