Il confine tra il mondo quantistico e quello classico è sempre stato considerato invalicabile dalla comunità scientifica internazionale. Tuttavia, negli anni Ottanta del secolo scorso, tre ricercatori sono riusciti a dimostrare che fenomeni apparentemente impossibili della meccanica quantistica potevano manifestarsi anche in dispositivi abbastanza grandi da essere osservati con strumenti tradizionali. Questo martedì, il britannico John Clarke, il francese Michel Devoret e l'americano John Martinis hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica proprio per questa scoperta rivoluzionaria che ha aperto la strada all'era dei computer quantistici.
L'enigma del tunneling quantistico spiegato con una montagna
Per comprendere l'importanza di questa scoperta, bisogna prima familiarizzare con uno dei fenomeni più bizzarri della fisica quantistica: il tunneling quantistico. Eleanor Crane, fisica quantistica del King's College di Londra, utilizza una metafora efficace per spiegarlo: immaginate un escursionista che si trova davanti a una montagna invalicabile.
Nel nostro mondo quotidiano, se l'alpinista non ha abbastanza energia per scalare la vetta, semplicemente non riuscirà a raggiungere l'altro versante. Nel regno quantistico, invece, una particella può "attraversare" magicamente la barriera e comparire dall'altra parte, anche quando non possiede l'energia sufficiente per superarla. Questo accade perché le particelle quantistiche possono trovarsi contemporaneamente in più posizioni, un fenomeno chiamato sovrapposizione.
Quando il microscopico incontra il macroscopico
La vera sfida per i tre Nobel è stata quella di rendere osservabile questo fenomeno in un dispositivo sufficientemente grande. A metà degli anni Ottanta, Clarke, Devoret e Martinis costruirono un circuito elettrico particolare utilizzando due superconduttori raffreddati quasi allo zero assoluto per eliminare completamente la resistenza elettrica.
I ricercatori separarono quindi i due superconduttori con un sottile strato di materiale isolante che, in condizioni normali, avrebbe interrotto il flusso di corrente. Tuttavia, grazie al tunneling quantistico, alcuni elettroni riuscivano comunque ad "apparire" dall'altra parte della barriera, dimostrando che le leggi quantistiche potevano manifestarsi anche a scale più ampie di quelle atomiche.
Come sottolineato da Alain Aspect, Premio Nobel per la Fisica nel 2022, questa scoperta ha risposto in modo definitivo a una domanda fondamentale: può un oggetto del nostro mondo macroscopico comportarsi secondo le regole quantistiche? La risposta è stata un inequivocabile sì.
Dal laboratorio ai processori del futuro
L'eredità tecnologica più significativa di questa scoperta risiede nello sviluppo dei bit quantistici superconduttori, conosciuti come qubit. Mentre i computer tradizionali utilizzano bit che possono assumere solo due stati (zero o uno), i qubit possono esistere simultaneamente in entrambi gli stati, aprendo possibilità computazionali straordinarie.
Oggi, colossi tecnologici come Google e IBM investono milioni di dollari per realizzare computer quantistici su larga scala, basandosi proprio sui principi scoperti dai tre Nobel. Il processore Sycamore di Google, ad esempio, utilizza questa tecnologia per tentare di risolvere problemi matematici che richiederebbero millenni ai computer classici.
Gregory Quiroz, fisico della Johns Hopkins University, evidenzia come i tre ricercatori abbiano "posto le fondamenta per tecnologie in cui molte aziende stanno investendo enormi capitali, nel tentativo di costruire computer quantistici capaci di risolvere determinati problemi molto più velocemente delle alternative classiche".
Oltre i computer: applicazioni inaspettate
La portata di questa scoperta va ben oltre l'informatica quantistica. I circuiti sviluppati dai Nobel hanno permesso lo sviluppo di metodi estremamente sensibili per misurare campi elettromagnetici e magnetici, con applicazioni che spaziano dalla medicina alla ricerca sui materiali.
Nonostante la concorrenza di altre tecnologie quantistiche come gli atomi neutri e le trappole ioniche, Eleanor Crane stima che i computer quantistici basati su questi principi potrebbero essere abbastanza potenti da "cambiare il corso della società" nell'arco dei prossimi cinque-dieci anni. Una previsione che trasforma il lavoro pionieristico di Clarke, Devoret e Martinis in una delle scoperte più influenti del nostro tempo.
