Il Premio Nobel per la Fisica 2025 è stato assegnato a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis per aver dimostrato che effetti tipici della meccanica quantistica, come il tunneling e la quantizzazione dell’energia, possono manifestarsi non solo nel mondo microscopico di atomi ed elettroni, ma anche in circuiti elettrici di dimensioni macroscopiche. Si tratta di un risultato che ha cambiato il modo di pensare la frontiera tra fisica classica e quantistica e che ha aperto le basi tecnologiche del calcolo quantistico.
La meccanica quantistica, fin dalla sua nascita, è stata pensata come la teoria che descrive l’infinitamente piccolo. Fenomeni come la sovrapposizione di stati, la possibilità che una particella attraversi una barriera apparentemente invalicabile, o il fatto che l’energia possa assumere solo certi valori discreti, sembravano confinati al mondo degli atomi. L’idea che questi stessi comportamenti potessero emergere in sistemi composti da miliardi di miliardi di particelle sembrava quasi impossibile.
Clarke, Devoret e Martinis hanno mostrato che invece è proprio così, utilizzando i superconduttori. Questi sono materiali nei quali, quando sono raffreddati al di sotto di una temperatura detta temperatura critica, la corrente può scorrere senza nessuna perdita, senza consumare energia. Questo accade perché gli elettroni che formano la corrente elettrica non si muovono più ciascuno per conto proprio, ma formano uno stato collettivo in cui fluiscono tutti insieme, dando origine a correnti macroscopiche perfettamente coerenti. In altre parole: in un metallo normale gli elettroni sono come pedoni che si muovono in una folla, urtandosi e rallentandosi di continuo; in un superconduttore, invece, diventano parte di una coreografia perfettamente sincronizzata, e proprio questa coerenza collettiva elimina gli urti e quindi la dissipazione che causa la resistenza. Ciò ha reso possibile osservare fenomeni come il tunneling su scala macroscopica: l’intera corrente può comportarsi come se attraversasse una barriera energetica che, in condizioni normali, non permetterebbe il passaggio.
Un altro risultato cruciale è stato mostrare che l’energia di questi circuiti non può variare in modo continuo, ma solo a salti ben precisi. È lo stesso principio che vale per gli atomi: un elettrone in un atomo non può occupare qualunque energia, ma solo certi livelli discreti. Allo stesso modo, un circuito superconduttore, pur essendo un oggetto costruito in laboratorio e grande milioni di volte un atomo, manifesta gli stessi comportamenti quantizzati. Questo significa che un circuito su chip può avere stati energetici ben definiti, proprio come se fosse un atomo creato dall’uomo: per questo si parla di “atomi artificiali”.
Questo ha avuto due conseguenze decisive. Da un lato, un impatto concettuale: il termine “macroscopico” nelle motivazioni del Nobel non è casuale. Significa che le proprietà quantistiche non appartengono solo al regno del microscopico, ma possono governare il comportamento di sistemi visibili e manipolabili. La meccanica quantistica non è confinata in laboratorio o nei manuali di fisica teorica, ma permea anche il mondo delle tecnologie che possiamo costruire.
Dall’altro lato, un impatto tecnologico: se questi circuiti possono essere progettati e controllati, allora possono essere usati come mattoni per il calcolo quantistico. In un computer classico l’informazione è contenuta in bit, che assumono valore 0 o 1 a seconda che la corrente elettrica passi o non passi. Nei circuiti quantistici superconduttori, invece, l’informazione è contenuta in un qubit, che può essere nello stato 0, nello stato 1 oppure in una sovrapposizione dei due. Questo permette a un computer quantistico di elaborare simultaneamente molte combinazioni di informazioni, aprendo possibilità che un computer tradizionale può affrontare solo con tempi enormemente più lunghi.
I qubit superconduttori sono oggi una delle piattaforme più promettenti per la costruzione di computer quantistici. Sono adottati dalle principali aziende tecnologiche perché sfruttano tecniche di fabbricazione simili a quelle dell’elettronica tradizionale, e perché permettono di realizzare circuiti complessi su chip in cui le proprietà quantistiche possono essere controllate. Proprio grazie a questa continuità con l’elettronica classica, i qubit superconduttori hanno guadagnato un ruolo di primo piano nella corsa al calcolo quantistico.
Il Nobel 2025 premia quindi un duplice traguardo: una scoperta che ha ampliato i confini della nostra comprensione della realtà fisica e, al tempo stesso, una tecnologia che ha gettato le fondamenta di una nuova forma di calcolo. Dimostrare che correnti elettriche macroscopiche possono obbedire alle leggi quantistiche e che questi effetti possono essere sfruttati ingegneristicamente significa aver aperto la strada a una rivoluzione scientifica e tecnologica.
Angelo Bassi
professore ordinario di Fisica Teorica al Dipartimento di Fisica
dell’Università degli Studi di Trieste
Foto in evidenza: Wikimedia commons
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