Il premio Nobel per la fisica 2025: la fisica quantistica entrerà nelle nostre case?

di Emilio Giovenale            
Il Premio Nobel per la fisica 2025 è stato assegnato a John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis con la seguente motivazione:
           “for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and
           energy quantisation in an electric circuit”
         (per la scoperta di tunneling quantistico macroscopico e della
           quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico)

I bizzarri effetti della meccanica quantistica

Quando si parla di fisica quantistica, vengono subito in mente comportamenti sorprendenti: oggetti che si manifestano contemporaneamente come onde e particelle, sistemi che possono scambiare energia solo in quantità discrete, fenomeni in cui particelle distanti si influenzano istantaneamente, e altri paradossi altrettanto straordinari. Tra questi spicca il cosiddetto “effetto tunnel”, grazie al quale una particella può attraversare una barriera che, secondo la fisica classica, sarebbe insormontabile con l’energia a sua disposizione.

Il fatto è che tutti questi strani fenomeni si verificano solo nel mondo dell’infinitamente piccolo, per oggetti di dimensioni inferiori in genere a 10 nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro), quindi per atomi, o per particelle elementari, come elettroni, protoni, fotoni… Inoltre i comportamenti quantistici si applicano alle singole particelle: quando il numero di particelle cresce, gli effetti quantistici praticamente svaniscono.

La meccanica quantistica: una lunga lista di Nobel

La vera rivoluzione degli studi che hanno portato Clarke, Devoret e Martinis al Nobel, consiste nell’aver dimostrato che è invece possibile verificare comportamenti di tipo quantistico, come l’effetto tunnel, e la quantizzazione dell’energia su livelli discreti, anche all’interno di oggetti macroscopici, nello specifico all’interno di un circuito elettrico superconduttivo di dimensioni macroscopiche (dell’ordine del cm).

In realtà il recente Nobel è l’ultimo di una lunga serie in questo campo, a dimostrazione dell‘importanza degli studi sulle applicazioni della meccanica quantistica nel mondo reale, e che parte dalla scoperta dell’effetto tunnel quantistico, descritto già nel 1928 da George Gamow, che, per usare una metafora, è un po’ come immaginare una pallina lanciata contro un muro che, invece di rimbalzare, lo attraversa.

La superconduttività

È in questo frangente che si apre la strada alla possibilità di estendere questi fenomeni anche a sistemi macroscopici. Una prima risposta arriva ancora dalla fisica quantistica, e dalla sua manifestazione in un altro “bizzarro” fenomeno: la superconduttività. Alcuni materiali, a temperature molto vicine allo zero assoluto (-273,15 °C), non esibiscono resistenza elettrica al passaggio di corrente. Gli elettroni, in queste condizioni, si uniscono a formare le cosiddette “Coppie di Cooper” e nel circuito superconduttore la corrente fluisce senza bisogno di applicare alcuna differenza di potenziale ai suoi capi. Per questa scoperta John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer hanno ricevuto il premio Nobel  nel 1972.

La prova sperimentale dell’esistenza delle coppie di Cooper è stata possibile grazie all’invenzione della giunzione Josephson, che prende il nome dal fisico Brian Josephson, insignito anche lui del Nobel nel 1973. La giunzione Josephson utilizza proprio l’effetto tunnel quantistico attraverso una sottile striscia di isolante inserita in un circuito superconduttore:  gli elettroni “condensati” nelle coppie di Cooper possono attraversare la barriera di potenziale grazie all’effetto tunnel. Nel circuito superconduttore miliardi elettroni perdono la loro individualità e si “condensano” in uno stato quantistico coerente, descritto da una singola funzione d’onda collettiva. In pratica, gli elettroni si muovono insieme come se fossero una singola particella e questo permette alla corrente di scorrere senza incontrare resistenza.

La meccanica quantistica e il mondo macroscopico: una domanda cruciale!

La domanda cruciale, ovvero se un oggetto macroscopico come un circuito superconduttore, potesse seguire le leggi della meccanica quantistica, venne sollevata negli anni Settanta dal fisico Anthony James Leggett, che per i suoi studi teorici sulla superconduttivita e superfluidità (altro fenomeno quantistico che coinvolge particelle che si muovano senza attrito tra loro) ha ricevuto il Nobel nel 2003. Legget ha coniato il temine Macroscopic Quantum Tunneling (Mqt), per indicare la possibilità che proprietà quantistiche, come l’effetto tunnel,  fossero applicate anche a oggetti macroscopici.

Clarke, Devoret e Martinis, negli anni Ottanta hanno fornito una prova sperimentale di tale ipotesi: hanno costruito un circuito superconduttore iniettando una debole corrente in una giunzione Josephson, misurando una differenza di potenziale zero, e poi hanno effettuato successivi rilevamenti per vedere se questo sistema poteva fare autonomamente tunneling verso un sistema a potenziale diverso da zero. Il risultato di questo esperimento ha dimostrato che l’intero circuito poteva effettuare il tunneling.

Qualche dettaglio tecnico…

In realtà l’elemento di novità è stato individuare la variabile caratteristica dell’intero sistema che avrebbe esibito il comportamento quantistico, che non è una vera e propria quantità fisica, come la posizione di una particella, ma qualcosa di più astratto, nello specifico si tratta della differenza di fase della funzione d’onda macroscopica del sistema attraverso la giunzione Josephson. Di fatto avevano dimostrato che il sistema si comportava come una enorme particella, conservando le proprietà quantistiche.

In aggiunta a questo, hanno rilevato che il sistema era in grado di assorbire microonde di differente frequenza quando si trovava nello stato a zero tensione, ma queste venivano assorbite solo per certe specifiche frequenze, “quantizzate”, come accade per esempio per gli atomi, e che gli stati passati ad energie superiori, grazie all’assorbimento dell’energia delle microonde, avevano una maggiore probabilità di fare tunneling, come previsto dalle leggi della meccanica quantistica.

Oltre alla notevole rilevanza nel campo della fisica teorica, questo risultato ha aperto la strada a tutta una serie di applicazioni pratiche, che promettono di rivoluzionare completamente le tecnologie informatiche e di comunicazione, tramite la realizzazione dei primi computer quantistici.

Computer tradizionali e computer quantistici: Bit e qubit

Un computer tradizionale opera su dati codificati in due stati, 1 e 0, i cosiddetti “bit”, realizzati all’interno di circuiti elettronici, ove vengono miniaturizzati miliardi di singoli transistor, che possono assumere uno dei due valori. Per aumentare la potenza di calcolo dei computer tradizionali viene aumentato il numero di transistor, tramite la miniaturizzazione sempre più estrema dei componenti, che ne aumenta la densità sui singoli “chip”. Tuttavia, paradossalmente, proprio l’effetto tunnel quantistico degli elettroni, che in questi “microcircuiti” scorrono, costituisce un limite alla miniaturizzazione: quando le distanze iniziano a diventare così piccole che un elettrone può “saltare” per effetto tunnel da un circuito all’altro, è necessario fermarsi!

In un computer quantistico al posto dei “bit” si usano i quantum bit, o “qubit”. A causa delle sue proprietà quantistiche, il qubit può trovarsi in una sovrapposizione di entrambi gli stati 1 e 0. Tali sovrapposizioni possono essere sfruttate, con gli opportuni algoritmi, per parallelizzare il calcolo e aumentare in maniera esponenziale la velocità di elaborazione.

Il sito dell’IBM sul quantum computing recita:
“Un qubit può comportarsi come un bit e memorizzare uno zero o un uno, ma può anche essere una combinazione ponderata di zero e uno allo stesso tempo. Quando i qubit vengono combinati, le loro sovrapposizioni possono crescere in modo esponenziale in termini di complessità: due qubit possono essere in una sovrapposizione delle quattro possibili stringhe a 2 bit, tre qubit possono essere in una sovrapposizione delle otto possibili stringhe a 3 bit, e così via. Con 100 qubit, le possibilità sono astronomiche.”

Inoltre i qubit possono sfruttare il fenomeno quantistico dell’entanglement, per correlare istantaneamente il proprio stato ad altri qubit. In questo modo quando i processori quantistici misurano un singolo qubit entangled, possono determinare istantaneamente le informazioni sugli altri qubit del sistema entangled.

Sistemi deterministici e sistemi probabilistici

Dato che un sistema di qubit quantistici in uno stato di sovrapposizione collettiva struttura le informazioni in un modo che assomiglino a onde, le ampiezze di queste onde diventano le probabilità dei risultati di una misurazione del sistema. Se si “sommano” tra loro queste onde hanno luogo fenomeni di “interferenza” costruttiva o distruttiva che descrivono probabilisticamente l’evoluzione del sistema verso uno specifico risultato. Ed è questo l’enorme vantaggio del quantum computing: non si devono provare tutti i possibili stati di un sistema, ma basta vedere come evolvono le  ampiezze di probabilità dei qubit per determinare un risultato.

Il punto debole dei sistemi di quantum computing è la cosiddetta decoerenza, che si verifica quando un sistema quantistico “collassa” in uno stato non quantistico. È il fenomeno che si verifica quando si apre la scatola dove è rinchiuso il famoso “gatto di Shroedinger”! In un computer quantistico è necessario evitare o ridurre il più possibile la decoerenza.

I qubit superconduttori e le applicazioni del quantum computing

Per costruire un computer quantistico è possibile utilizzare diverse tecniche, ma la più promettente, proprio grazie agli studi oggetto del Nobel, è quello dei qubit superconduttori.

Il quantum computing è uno dei metodi con cui si possono superare i limiti dei computer tradizionali nel risolvere problemi complessi, per cui anche i più potenti supercomputer classici richiederebbero tempi di calcolo enormi. Un esempio banale è quello della fattorizzazione dei numeri, vale a dire la ricerca di tutti i numeri primi sottomultipli del numero assegnato. La difficoltà intrinseca di trovare algoritmi classici con cui risolvere rapidamente il problema, ha fatto sì che questo tipo di approccio sia stato utilizzato per le tecniche di crittografia, in modo da evitare che, anche avendo a disposizione un supercomputer “classico”, risultasse quasi impossibile decriptare un messaggio criptato con algoritmo RSA o AES  in tempi “umani”.

Con i più avanzati computer  attualmente disponibili, per superare una crittografia RSA a 2048 bit, che utilizza la fattorizzazione di numeri molto grandi, lunghi centinaia di cifre, sarebbero necessari trilioni di anni. Già nel 1995 Peter W. Shore ha sviluppato un algoritmo di decriptazione quantistica in grado di violare la crittografia RSA ed il protocollo Diffie-Hellman, che rappresentano le fondamenta della crittografia a chiave pubblica oggi in uso e della maggior parte dei sistemi di comunicazione sicura.

La crisi della crittografia tradizionale e altre applicazioni rivoluzionarie

L’applicazione pratica del quantum computing in questi campi promette di rivoluzionare tutto il settore, con ricadute pesanti in ogni settore, da quello bancario alla sicurezza dei dati. Gia nel 2019 Google ha annunciato che un computer quantistico da loro sviluppato ha completato in 200 secondi un calcolo che avrebbe richiesto un tempo macchina di  10.000 anni su un moderno supercomputer.

Questo sta portando allo sviluppo di differenti algoritmi di crittografia, che risultino meno vulnerabili alle tecniche di calcolo quantistico, la cosiddetta Quantum-Safe Cryptography (QSC), o che addirittura utilizzino essi stessi le caratteristiche del quantum computing.

Oltre alla crittografia, il quantum computing promette di raggiungere risultati non immaginabili fino ad ora: come lo  studio di molecole o sistemi complessi, accelerando in maniera sostanziale la ricerca farmaceutica, la chimica e la fisica. Le applicazioni nel campo dell’intelligenza artificiale poi sarebbero enormi, e ridurrebbero in maniera sostanziale i consumi degli attuali sistemi energivori.

Se è vero che oggi i più potenti sistemi di calcolo quantistico utilizzano processori con alcune migliaia di qubit, l’IBM ha annunciato che punta a sviluppare un sistema da 100.000 qubit entro il 2033. Un traguardo del genere costituirebbe una vera rivoluzione per le attuali tecnologie informatiche e di comunicazione, e questo lo si deve anche alle ricerche svolte dei fisici premiati quest’anno col Nobel.

Emilio Giovenale, fisico, ricercatore e divulgatore della scienza

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