Physik Journal 12 / 2025

Bezeichnenderweise erhalten John Clarke, Michel Devo­ret und John Martinis diese hohe Anerkennung im Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und Quantentechnologien – genau hundert Jahre nach der Formulierung der Quantenmechanik. Die Arbeit der diesjährigen Nobelpreisträger gab den Anstoß zu einem Forschungsgebiet, das sich nicht nur in hunderten von Forschungslabors verbreitete, sondern auch private Unternehmen hervorbrachte, die sich mit der Entwicklung von Quantenschaltkreisen befassen und teilweise sogar auf einen Quantencomputer abzielen.

Das Abenteuer begann um 1980 mit Arbeiten von Antony Leggett [1], der 1978 vorgeschlagen hatte, die Anwendbarkeit der Quantentheorie auf einen makros­kopischen Freiheitsgrad zu untersuchen: die Phasendifferenz in einem Josephson-Kontakt. Ein solcher Josephson-Kontakt besteht aus zwei supraleitenden Elektroden, die durch eine dünne isolierende Schicht über den quantenmechanischen Tunnel­effekt elektrisch miteinander gekoppelt sind (Abb. 1a). Im Normalzustand, also oberhalb der supra­leitenden Übergangstemperatur, tunneln einzelne Elektronen unabhängig voneinander. (...)

Für den Arbeitsmarkt von Physiker:innen gibt es zwei Datenquellen – die Zahlen des Mikrozensus [1] und die der Bundesagentur für Arbeit. Der Mikrozensus basiert auf einer umfangreichen Befragung und Modellbildung. Dadurch beleuchten diese Daten einen um drei bis vier Jahre zurückliegenden Stand des Arbeitsmarktes – aktuell das Jahr 2022. Der Mikrozensus betrachtet alle erwerbstätigen Physiker:innen, die nach Selbstauskunft einen akademischen Physik­abschluss besitzen. Das sind insgesamt 125 400 Personen [2] in vielen Berufsfeldern (Abb. 1). Den Anteil mit einer Tätigkeit in klassischen Physik­berufen, also dem Erwerbsberuf „Physiker/in“, beziffert der Mikrozensus mit rund 16 Prozent [3]. Die Daten der Bundesagentur [4] erscheinen monatlich bzw. jährlich und beziehen sich nur auf die Gruppe Erwerbsberuf „Physiker/in“ des Mikrozensus. Daten zu Arbeitslosen und offenen Stellen für Physiker:innen erhält die DPG jährlich als Sonderauswertung basierend auf den Septemberzahlen des jeweils betrachteten Jahres. Die im Folgenden von der Bundesagentur angegebenen Zahlen zu den sozialversicherungspflichtig Beschäftigten beziehen sich immer auf das Ende des Kalenderjahres. (...)

Herkömmliche Lehr- und Bildungspläne für die Quantenphysik folgen grob der historischen Entwicklung und stellen die Energiequantisierung gebundener Zustände in das Zentrum der Diskussion. Traditionelle Inhalte entsprechender Curricula sind das Bohrsche Atommodell, der Franck-Hertz-Versuch oder der lichtelektrische Effekt. Weitere zentrale Themen sind die Interferenz von Materiewellen, deren Wahrscheinlichkeitsdeutung sowie die Unbestimmtheitsrelation. Die analytische Lösung der Schrödinger-Gleichung für den Poten­tialtopf stellt oft den einsamen mathematischen Höhe­punkt der schulischen Behandlung dar.

In jüngerer Zeit stellen alternative Zugänge zur Quanten­physik eine größere Nähe zu aktuellen technischen Anwendungen her. Nicht zuletzt die Bildungsstandards Physik für die Allgemeine Hochschulreife [1] stützen diese Neuausrichtung, da sie eine inhaltliche Ausweitung der curricularen Verankerung der Quantenphysik vorsehen. Dadurch erweitert sich der Quantenphysikunterricht und verlagert sich auf neue konzeptionelle Schwerpunkte, insbesondere auf Superposition und Verschränkung. (...)

Auf den ersten Blick scheint der Begriff Quantenkosmologie im Titel ein Oxymoron zu sein, weil Quanteneffekte nur im Kleinen eine entscheidende Rolle spielen. Genauer gesagt folgt die Wichtigkeit von Quanten­effekten aus dem Vergleich des Planckschen Wirkungsquantums von 10−34 Js mit typischen Wirkungen der untersuchten Prozesse, also mit Produkten typischer Prozesszeiten und der entsprechenden Energien. In der Kosmologie erwartet man, dass derartige Wirkungen gewaltig sind und Quanteneffekte demnach keine Rolle spielen. Dies stimmt zwar aus heutiger Sicht, aber nicht notwen­digerweise im frühen Universum, als typische kosmo­logische Zeitskalen und damit Wirkungen viel kleiner ausfielen. Um das zu verstehen, begeben wir uns hier auf eine Reise in die Vergangenheit, wobei uns verschiedene Quantenphänomene begegnen. Der Höhe­punkt dieser Reise „zum Anfang der Zeit“ werden mögliche Prozesse sein, bei denen das Universum als Ganzes signifikante Quantenfluktuationen erlebt und somit sogar „aus dem Nichts“ entstehen könnte. Dies wäre dann tatsächlich Quantenkosmologie. (...)

Die globale Erwärmung schreitet voran und bedroht zunehmend die natürlichen Lebensgrundlagen von Mensch und Umwelt. Sie lässt sich nur begrenzen, wenn es gelingt, die Emission von CO₂ und anderen Treibhausgasen auf netto null zu senken. Dazu zählen Methan (CH4, vor allem aus Tierhaltung und Reisanbau, aber auch aus Erdgas- und Ölförderung), Lachgas (N2O, vor allem aus landwirtschaftlicher Düngung und Güllemanagement) oder fluorierte Treibhausgase (F-Gase, als Kältemittel und Treibmittel in Schäumen und Dämmstoffen eingesetzt). Treibhausgasneutralität bedeutet ein Gleichgewicht zwischen den ausgestoßenen Emissionen und der Menge an Treibhausgasen, die durch biologische oder (geo-)chemische Verfahren wieder aus der Atmosphäre entfernt wird (Abb. 1).

Laut dem European Green Deal will die Europäische Union dieses Ziel bis 2050 erreichen. Deutschland strebt dasselbe laut Bundesklimaschutzgesetz bereits für 2045 an und plant, in späteren Jahren mehr CO₂ zu entnehmen als auszustoßen (netto-negative Emissionen). Auf diese Weise könnte die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre sinken, um langfristig den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur zu begrenzen. (...)