Il Premio Nobel per la Fisica 2025 è stato assegnato a John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis per la scoperta del tunneling quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico. È un riconoscimento che celebra scoperte fondamentali che hanno aperto la strada ai moderni computer quantistici.
I tre scienziati hanno dimostrato che i fenomeni quantistici – normalmente osservati solo nel mondo microscopico degli atomi e delle particelle – possono manifestarsi anche in oggetti “grandi” come i circuiti elettrici che possiamo costruire e manipolare in laboratorio. Hanno essenzialmente fatto fare ai circuiti elettrici cose che secondo la fisica classica sarebbero impossibili, come, ad esempio, l’effetto tunnel.
Immaginiamo di far rotolare una palla verso una collina: se non ha abbastanza energia, si ferma e rotola indietro. Mai e poi mai la vedrai comparire dall’altra parte della collina. Eppure, nel mondo quantistico, questo “impossibile” accade regolarmente. Questo perché nel mondo microscopico, le particelle non sono palline solide con una posizione definita. Sono descritte da onde di probabilità – è come se fossero “sfumate” nello spazio. Quando una particella quantistica incontra una barriera c’è una piccola probabilità che la sua onda attraversi la barriera, vale a dire che la particella può “sfondare” la barriera e passare dall’altra parte, anche senza energia sufficiente, come se il muro diventasse temporaneamente trasparente.
Questo fenomeno, chiamato effetto tunnel, è alla base di molti processi naturali: permette al Sole di brillare (facilitando le reazioni nucleari), consente ai transistor dei nostri computer di funzionare, e spiega fenomeni come il decadimento radioattivo.
Ma tutto questo lo sapevamo già; la vera rivoluzione portata dai lavori di Clarke, Devoret e Martinis è stata dimostrare che questo effetto tunnel può verificarsi non solo con singoli elettroni, ma in circuiti elettrici interi – oggetti contenenti miliardi e miliardi di elettroni che si comportano collettivamente come un’unica entità quantistica.
I tre scienziati hanno lavorato con circuiti speciali realizzati con materiali superconduttori – materiali che, a temperature bassissime (vicine allo zero assoluto, circa -273°C), perdono completamente ogni resistenza elettrica. In questi circuiti la corrente può fluire per sempre senza dissiparsi, gli elettroni si muovono in modo perfettamente coordinato e il comportamento quantistico diventa osservabile a scala macroscopica.
Nel nostro mondo quotidiano, puoi versare nel bicchiere la quantità d’acqua che vuoi – qualsiasi valore tra vuoto e pieno. È una scala continua. Nel mondo quantistico invece, molte grandezze possono assumere solo valori discreti, come i gradini di una scala: non puoi stare tra un gradino e l’altro. Questo si chiama quantizzazione.
Ecco, Clarke, Devoret e Martinis hanno dimostrato che nei circuiti superconduttori l’energia non può assumere qualsiasi valore, ma solo multipli di una quantità minima. È come se il circuito potesse contenere solo 1, 2, 3… “pacchetti” di energia, mai 1,5 o 2,7. Questi livelli energetici discreti possono essere usati come qubit – i bit quantistici che sono alla base dei computer quantistici. Un bit classico può essere 0 o 1. Mentre un qubit può essere 0 o 1, una sovrapposizione quantistica può avere qubit 0 e 1 simultaneamente. I circuiti sviluppati grazie al lavoro di questi scienziati permettono di creare qubit stabili e manipolabili, formando la base tecnologica dei computer quantistici che aziende come Google, IBM e altre stanno sviluppando.
Ma tutto questo che influenza ha nella nostra vita quotidiana?
John Clarke è stato pioniere nello sviluppo degli SQUID (Superconducting QUantum Interference Device), dispositivi che sfruttano l’effetto tunnel per misurare campi magnetici debolissimi che sono usati oggi in risonanze magnetiche per diagnostica medica avanzata, in magnetoencefalografia per studiare l’attività cerebrale, nell’esplorazione geologica per trovare giacimenti minerari e per ricercare difetti in materiali e strutture
I circuiti quantistici permettono inoltre di definire unità di misura con precisione estrema, fondamentali per la calibrazione di strumenti scientifici e industriali, la sincronizzazione delle reti di telecomunicazione e nel funzionamento del GPS.
I qubit superconduttori sono attualmente la tecnologia più promettente per costruire computer quantistici su larga scala. Questi potrebbero rivoluzionare una serie di attività umane, come la scienza dei materiali: progettando nuovi materiali con proprietà su misura, nell’industria farmaceutica potrebbero simulare nuove molecole complesse per progettare nuovi farmaci, potrebbero migliorare la nostra vita ottimizzando le nostre attività quotidiane risolvendo problemi logistici complessi (traffico, distribuzione, finanza), accelerando l’apprendimento automatico dell’AI…Questi circuiti sono laboratori per studiare il confine tra il mondo quantistico e quello classico, aiutandoci a capire domande profonde sulla natura della realtà.
Le scoperte di Clarke, Devoret e Martinis sono importanti perché hanno creato una sorta di collegamento tra il mondo microscopico degli atomi e gli oggetti che possiamo vedere e toccare dimostrando che possiamo non solo osservare i fenomeni quantistici, ma controllarli e ingegnerizzarli per costruire tecnologie completamente nuove, rappresentano un ponte fondamentale tra la fisica quantistica teorica e la tecnologia pratica. È come se avessimo imparato a domare le leggi più strane e controintuitive della natura per metterle al nostro servizio.
Il loro lavoro ha posto le fondamenta di quella che potrebbe essere la prossima rivoluzione tecnologica: l’era quantistica, dove i computer non seguiranno più le leggi della fisica classica ma sfrutteranno le proprietà bizzarre e potentissime del mondo quantistico.
