Il Nobel per la fisica 2025, spiegato

Nell’Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica, il Nobel per il fisica non poteva che toccare questo ambito, ma con uno sguardo al futuro: il premio è andato a un esperimento che ha portato la meccanica quantistica fuori dal regno degli atomi, rendendo visibili le sue “bizzarrie” anche sul banco di un laboratorio di elettronica. John Clarke (UC Berkeley), Michel H. Devoret (Yale/UC Santa Barbara) e John M. Martinis (UC Santa Barbara) sono stati insigniti “per la scoperta del tunneling quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”. In altre parole: hanno mostrato che un circuito superconduttivo, grande quanto una moneta, può comportarsi come una singola particella quantistica, attraversando barriere “impossibili” e assorbendo energia in pacchetti discreti.

L’idea di fondo è abbastanza semplice da raccontare, meno da realizzare. Nel mondo classico una palla contro un muro rimbalza; in quello quantistico può comparire dall’altra parte senza sfondarlo: è il cosiddetto “effetto tunnel”. Per decenni i fisici lo hanno osservato nei fenomeni atomici. La domanda era se anche in sistemi più grandi, macroscopici, costituiti da miliardi di elettroni, potesse avvenire lo stesso.

La risposta è arrivata a metà anni Ottanta a Berkeley, Stati Uniti, grazie al lavoro dei tre fisici premiati, che hanno realizzato un elegante apparato sperimentale usando un circuito con una giunzione Josephson, una sottilissima barriera fra due superconduttori; a temperature prossime allo zero assoluto gli elettroni si accoppiano e si muovono all’unisono, cioè come una grande particella e il circuito creato si comporta come un unico oggetto fermo in una “buca” di energia, a tensione zero; attraversando la barriera, compare una tensione misurabile: era il segnale del passaggio.

Tra il 1984 e il 1985, furono condotti così i tre esperimenti chiave che hanno portato al Nobel odierno. Prima “solleticando” il circuito con microonde al suo ritmo naturale, si vide che scattava fuori dallo stato senza tensione: era il comportamento atteso se davvero si stava muovendo come un’unica particella intrappolata. Poi si osservò che assorbiva energia solo a frequenze precise e, quando era in uno stato eccitato, “evadeva” più in fretta: era il segno dei livelli energetici discreti, come in un atomo. Infine, se si scendeva di temperatura e il tasso con cui il circuito usciva dalla “buca” energetica non dipendeva più dal calore: era il segno dell’attraversamento della barriera per effetto tunnel. Le difficoltà tecniche da superare per arrivare a queste dimostrazioni furono enormi.

Ma il progresso scientifico si poggia sempre sulle spalle di altri giganti e a questi risultati si arriva grazie a una lunga serie di altre scoperte, fra cui l’intuizione di Anthony Leggett (Nobel 2003) che effetti quantistici potessero emergere anche in sistemi macroscopici. Clarke, Devoret e Martinis hanno messo insieme tutti questi frammenti, mostrando che tra la stranezza quantistica e il nostro mondo quotidiano non esiste un muro, ma una soglia che si può progettare e attraversare.

Ormai la tecnologia nata dagli studi di Martinis, Devoret e Clarke è entrata nei laboratori di fisica; anche in Svizzera ricercatori come Matteo Fadel, professore di Sistemi Quantistici e ibridi all’ETH di Zurigo, indagano proprio quel mondo di confine fra oggetti macroscopici e meccanica quantistica: “Gli oscillatori meccanici che studio sono controllati da circuiti superconduttori che operano nel regime quantistico, e sono dispositivi direttamente ‘derivati’ dalle scoperte di Martinis, Devoret e Clarke.” Da quegli esperimenti nasce un’intera ingegneria su chip. I circuiti superconduttivi diventano ‘atomi artificiali’ che si possono manipolare. Su queste basi è cresciuta la circuit quantum electrodynamics (cQED) e, soprattutto, la famiglia dei qubit superconduttivi, i mattoni dei computer quantistici. Non a caso Martinis ha guidato il team Google che nel 2019 ha firmato una delle prime dimostrazioni pubbliche della cosiddetta ‘supremazia quantistica’, quando il processore quantistico di Google eseguì in pochi minuti un compito impraticabile per i supercomputer classici.
 

Ma il valore di questo Nobel è anche culturale: «Una delle grandi domande della fisica – dice Matteo Fadel - è capire dove sia il confine tra mondo classico e quantistico. Singoli atomi seguono le strambe regole della meccanica quantistica, ma come è possibile che oggetti macroscopici seguano la meccanica classica seppure composti da atomi?» Gli esperimenti premiati mostrano che, con gli strumenti giusti, la risposta non sta in un princìpio metafisico ma in un progetto: isolare, raffreddare, controllare. Allora anche un circuito visibile a occhio nudo può diventare quantistico. E continua Matteo Fadel: “In ogni caso, penso che il riconoscimento dato agli esperimenti di Martinis, Devoret e Clarke mostri ancora una volta l’importanza di fare ricerca fondamentale allo scopo di comprendere la natura, ancora prima d’immaginare quali saranno le applicazioni pratiche dei risultati ottenuti.” 

In un anno che celebra la meccanica quantistica, questo Nobel è più di un riconoscimento: è un segnale. Dice che la quantistica non è soltanto un mistero da manuale, ma una tecnologia che cresce nelle mani di chi sa costruire ‘porte’ nei luoghi giusti. E che, su un piccolo chip, possiamo vedere l’impossibile farsi misurabile.