Nobelpreis Physik 2025

Was wäre, wenn ein Computer nicht nur Schritt für Schritt rechnen müsste, sondern alle denkbaren Wege einer Berechnung gleichzeitig durchlaufen könnte? Was wäre, wenn Information nicht einfach „0 oder 1“ wäre, sondern alles dazwischen und darüber hinaus?

Genau das ist die Idee des Quantencomputers: einer Maschine, die das klassische Digitaldenken hinter sich lässt und nach den Regeln der Quantenphysik rechnet. Um zu verstehen, wie diese neue Art des Rechnens funktioniert, muss man einen Blick in eine Welt werfen, die sich unserer Intuition weitgehend entzieht: in die Mathematik der Möglichkeiten. Hier kommt der Hilbertraum ins Spiel. Ein Raum, der in der Physik unendlich viele Zustände hat. Er ist das Fundament der Quantenmechanik. In dieser Welt ist Zufall kein Mangel an Wissen, sondern ein grundlegendes Prinzip: Zustände existieren zunächst als Wahrscheinlichkeiten, erst die Messung entscheidet, was als Realität sichtbar wird.

Die Quantenmechanik ist das mathematische Werkzeug der Quantenphysik. Albert Einstein misstraute ihr jedoch: Zufall statt Determinismus widersprach seiner Vorstellung einer geordneten Natur. Für ihn konnte Zufall nicht das letzte Wort sein. An Max Born schrieb er den berühmten Satz: „Gott würfelt nicht.“ Einstein kritisierte gerade die Kopenhagener Deutung von Niels Bohr und Werner Heisenberg, nach der ein Zustand erst durch die Messung festgelegt wird und die Realität nicht unabhängig vom Beobachter existiert. Für ihn war das unvollständig: Die Quantenmechanik sei nur eine statistische Näherung einer tieferen, verborgenen Ordnung, die die scheinbare Zufälligkeit der Natur erklären würde.

1. Die Quantenwelt: Wenn Gewissheit verschwindet

In der klassischen Physik ist alles eindeutig. Ein Ball fliegt auf einer bestimmten Bahn, ein Planet folgt den Gesetzen der Gravitation. Diese Welt ist berechenbar und deterministisch.

Die Quantenwelt funktioniert anders. Teilchen wie Elektronen oder Photonen haben keinen festen Ort, keine feste Bahn, keine eindeutige Eigenschaft. Sie können an mehreren Orten gleichzeitig sein oder verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen. Erst wenn man misst, entscheidet sich die Realität für eine der Möglichkeiten.

Diese Idee ist nicht nur verblüffend, sie ist tief mathematisch. Sie zwingt uns, das Denken in „entweder – oder“ durch ein Denken in „sowohl – als auch“ zu ersetzen. Und genau hier kommt der Hilbertraum ins Spiel.

2. Der Hilbertraum: Das mathematische Zuhause der Quanten

Der Hilbertraum enthält Vektoren, die wir physikalisch als Zustände eines Systems interpretieren. Man kann sich den Hilbertraum als eine Art mathematischen Möglichkeitsraum vorstellen, in dem alle potenziellen Zustände eines physikalischen Systems existieren. Ein Quantensystem kann sich als „Wolke“ in diesem Raum ausbreiten, über viele Zustände gleichzeitig. Diese „Wolke“ beschreibt jedoch keine reale Verteilung von Teilchen, sondern eine Verteilung von Wahrscheinlichkeitsamplituden, also mathematischen Größen, deren Betragsqua­drate die tatsächlichen Wahrscheinlichkeiten für die möglichen Zustände angeben.

Wenn man es bildlich ausdrücken möchte, ist der Hilbertraum eine Bühne, auf der das gesamte Stück der Quantenphysik aufgeführt wird. Die Schauspieler – also Elektronen, Photonen oder Atome – können dabei mehrere Rollen gleichzeitig spielen. Erst wenn der Vorhang fällt (die Messung), sehen wir, welche Rolle tatsächlich verkörpert wurde.

3. Wichtige Eigenschaften des Hilbertraums

4. Warum der Hilbertraum für Quantenphysik unverzichtbar ist

Der Hilbertraum ist nicht nur ein Hilfsmittel. Er ist die Bühne, auf der sich Quantenphysik abspielt. Er ermöglicht, dass Zustände überlagert, verknüpft, gedreht oder gemessen werden können. Jede dieser Operationen ist eine Bewegung innerhalb dieses Raumes.

Wenn ein Elektron in einem Magnetfeld seinen Spin ändert oder ein Qubit in einem Quantencomputer einen Rechenbefehl ausführt, passiert mathematisch gesehen eine Transformation im Hilbertraum. Diese Vorstellung ist nicht nur elegant, sie ist auch präzise: Jedes Experiment in der Quantenmechanik lässt sich auf solche Bewegungen zurückführen.

Dabei ist ein Qubit (quantum bit) das quantenmechanische Gegenstück zum klassischen „0“ oder „1“ – Bit aus der Informatik. Ein Qubit ist wie eine Münze, die sich gleichzeitig in einem Zustand zwischen „Kopf“ und „Zahl“ befinden kann, bis man sie misst. Erst beim Messen entscheidet sich, welches Ergebnis man bekommt. Die Wahrscheinlichkeiten hängen davon ab, wie die Münze „gedreht“ ist.

5. Superposition: Rechnen im Raum der Möglichkeiten

Das Superpositionsprinzip ist der Kern der Quantenmechanik und das, was Quantencomputer so besonders macht. Es besagt: Ein System kann gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren.

Ein klassischer Computer verarbeitet Bits, die entweder 0 oder 1 sind. Ein Quantencomputer nutzt Qubits, die 0 und 1 gleichzeitig sein können. Es ist so, als ob eine Münze in der Luft gleichzeitig Kopf und Zahl zeigt: wir sagten es schon.

Solange man nicht „nachschaut“, befindet sich das Qubit in einer Überlagerung beider Möglichkeiten. Erst beim „Blick“ (der Messung) fällt die Entscheidung, was man tatsächlich sieht. Dieses Verhalten erinnert an Schrödingers berühmte Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist, solange die Box geschlossen bleibt.

Diese Fähigkeit, viele Zustände gleichzeitig zu halten, ist der Grund, warum Quantencomputer bestimmte Probleme exponentiell schneller lösen können als klassische Rechner.

6. Verschränkung: Wenn Zustände sich gegenseitig kennen

Ein zweites, fundamentales Prinzip ist die Verschränkung. Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, bilden sie ein gemeinsames System, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Ändert sich der Zustand des einen, verändert sich sofort der Zustand des anderen. Scheinbar augenblicklich, ohne Signal, ohne Zeitverzögerung.

Ein klassischer Vergleich: Zwei perfekt synchronisierte Uhren, die man weit voneinander entfernt. Wenn man auf eine schaut, weiß man augenblicklich, was die andere zeigt. Nur dass in der Quantenwelt die Synchronisation viel tiefer geht. Sie betrifft nicht einfach nur die Anzeige, sondern die grundlegende Existenzweise der Teilchen.

In einem Quantencomputer bedeutet Verschränkung, dass mehrere Qubits so miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam Informationen tragen, die kein einzelnes Qubit für sich allein enthält. Das eröffnet neue Rechenoperationen, die in der klassischen Logik schlicht unmöglich sind.

7. Quantencomputer: Maschinen der Wahrscheinlichkeit

Ein Quantencomputer ist also eine Maschine, die nicht mit „Ja oder Nein“, sondern mit „Vielleicht“ rechnet. Er nutzt den Hilbertraum, um Rechenoperationen nicht linear, sondern parallel auszuführen. Seine Stärke liegt in der gleichzeitigen Betrachtung vieler Möglichkeiten.

Beispiele, wo das besonders nützlich ist:

• Kryptographie: Quantencomputer könnten große Zahlen faktorisieren und damit heutige Verschlüsselungen brechen.
• Chemie und Materialforschung: Moleküle verhalten sich selbst wie Quantensysteme. Quantencomputer können sie naturgetreu simulieren.
• Optimierung: Routenplanung, Finanzmärkte, Energieverteilung. Überall dort, wo viele Variablen zusammenspielen, ist der Quantencomputer potenziell überlegen.

8. Nobelpreis Physik 2025: Eine Auszeichnung für die Baumeister der Quantenrealität

Der Physik-Nobelpreis 2025 geht an drei Wissenschaftler, die die theoretische Eleganz des Hilbertraums in die physische Welt überführten. Ihre Experimente mit supraleitenden Schaltkreisen zeigten erstmals, dass man quantenmechanische Zustände in makroskopischen, also für das bloße Auge sichtbaren Systemen stabilisieren kann.

Sie machen die Quantenphysik buchstäblich greifbar und legten den Grundstein für funktionierende Qubits. Ihre Arbeit ist ein Beweis dafür, dass der Hilbertraum nicht nur ein abstraktes mathematisches Konzept bleibt, sondern direkte technische Realität geworden ist.

9. Herausforderungen und Zukunft

So faszinierend Quantencomputer sind, sie stehen noch am Anfang. Qubits sind extrem empfindlich: Jede kleinste Störung wie ein Temperaturunterschied, ein Magnetfeld oder ein Photon aus der Umgebung kann den Zustand zerstören. Deshalb werden Quantenprozessoren bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben und mit aufwendiger Fehlerkorrektur stabilisiert. Auch die Programmierung ist komplex. Man muss lernen, in Wahrscheinlichkeiten und Überlagerungen zu denken. Eine Denkweise, die für uns Menschen alles andere als selbstverständlich ist.

Doch die Fortschritte sind gewaltig. Technologieunternehmen, Start-ups und Forschungseinrichtungen weltweit investieren in den Aufbau größerer, stabilerer Systeme. In wenigen Jahren könnten Quantencomputer Aufgaben übernehmen, die heute unlösbar erscheinen.

10. Fazit: Rechnen mit dem Möglichen

Der Hilbertraum ist der mathematische Kern der Quantenwelt: ein Raum, in dem alle Möglichkeiten gleichzeitig existieren. Er erlaubt es, Zustände zu kombinieren, Wahrscheinlichkeiten zu berechnen und Veränderungen präzise zu beschreiben. Ohne ihn gäbe es keine Quantenmechanik und keine Quantencomputer.

Quantencomputer wiederum sind die ersten Maschinen, die in diesem Raum operieren. Sie sind keine schnelleren klassischen Computer, sondern grundlegend andere: Sie „rechnen mit dem Möglichen“, bevor sie sich für eine Wirklichkeit entscheiden.

In der Quantenwelt gilt das Prinzip: Wahrscheinlichkeit statt Gewissheit. Ein klassischer Computer liefert immer ein eindeutiges Ergebnis – 2 + 2 = 4. Ein Quantencomputer dagegen liefert zunächst eine Wahrscheinlichkeitsverteilung: viele mögliche Ergebnisse mit unterschiedlichen Eintrittschancen. Erst durch die Messung wird das Resultat festgelegt. Das klingt unpraktisch, ist aber ungemein mächtig. Denn man kann den Quantencomputer so programmieren, dass die richtigen Antworten eine hohe Wahrscheinlichkeit haben und falsche Antworten fast ausgeschlossen sind. So arbeitet er mit Wahrscheinlichkeiten statt gegen sie und nutzt damit die Grundlogik der Natur selbst.

Die Nobelpreisträger von 2025 haben gezeigt, dass diese Ideen nicht nur philosophisch oder mathematisch, sondern praktisch umsetzbar sind. Ihre Arbeit zeigt, wie aus abstrakten Möglichkeiten greifbare Realität wird. Vielleicht liegt genau darin die größte Lehre der Quantenphysik: Wirklichkeit ist nicht das, was feststeht – sondern das, was aus Möglichkeiten gewählt wird. Und der Quantencomputer ist das Werkzeug, mit dem wir beginnen, diese Möglichkeiten zu berechnen.

11. Nobelpreis Physik 2025: Die Preisträger

Der Nobelpreis für Physik 2025 geht an John Clarke (University of California, Berkeley), Michel H. Devoret (Yale University) und John M. Martinis (University of California, Santa Barbara). Sie werden „für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in elektrischen Schaltkreisen“ ausgezeichnet. Eine Basis für moderne supraleitende Quantencomputer, die auf solchen Schaltkreisen basieren.

12. Etwas Literatur

Einsteiger (1) Quanten: Einsteins rätselhafte Erfindung, Manjit Kumar; (2) In Search of Schrödinger’s Cat, John Gribbin; (3) Quantenmechanik für Einsteiger, Harald Lesch & Walter Schmidt; (4) Quantenphysik für Einsteiger, Andrew Reeves; (5) SIMPLY. Quantenphysik, Hilary Lamb, Giles Sparrow, Ben Still; (6) Quantenphysik für Anfänger, Zbigniew Ficek

Fortgeschrittene (1) Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum, Leonard Susskind & Art Friedman; (2) Principles of Quantum Mechanics, R. Shankar; (3) Quantum Physics: A Beginner’s Guide, Alastair I. M. Rae; (4) Modern Quantum Mechanics, J. J. Sakurai & Jim Napolitano; (5) Quantum Mechanics and Path Integrals, Richard P. Feynman & Albert R. Hibbs; (6) Principles of Quantum Mechanics, Paul Dirac