(Di Luca Chirolli)
John Clarke, Michele H. Devoret e John M. Martinis sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica 2025 “per la scoperta del tunneling quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico” che hanno reso possibile la costruzione dei primi qubit superconduttivi, ponendo cosi’ le basi per lo sviluppo della tecnologie quantistiche e in particolare della realizzazione delle prime versioni di computer quantistici a stato solido.
Contesto
La scoperta della meccanica quantistica all’inizio del XX secolo e i suoi successivi sviluppi hanno mostrato come i costituenti microscopici fondamentali della materia, come atomi, fotoni, e materia nucleare, mostrino fenomeni inspiegabili nel contesto della meccanica classica. Uno di questi fenomeni e’ il tunneling quantistico, che descrive come una particella confinata in una atomo o un nucleo da una barriera di potenziale possa passare attraverso la barriera e scappare via, come se ci fosse un “tunnel", processo che sarebbe proibito nel contesto classico. Se da un lato i costituenti fondamentali si comportano secondo le regole della meccanica quantistica, gli aggregati di essi, come gli oggetti macroscopici con i quali facciamo esperienza tutti i giorni, seguono le leggi della meccanica classica. Non e’ affatto ovvio a priori infatti che sistemi macroscopici possano manifestare comportamenti quantistici. Famoso e’ a questo proposito l’esperimento immaginario del gatto di Erwin Schroedinger: in una scatola che contiene un gatto e una fiala di veleno e’ posto un meccanismo in cui una sostanza radioattiva decadendo fa scoccare un martello che rompe la fiala e uccide il gatto. Essendo il decadimento radioattivo un tunneling quantistico, l’oggetto macroscopico "gatto" si verrebbe a trovare in una sovrapposizione di vivo o morto. Il gatto di Schroedinger illustra l’assurdita' dal punto di vista classico del fenomeno quantistico, fenomeno che risulterebbe di fatto impossibile data l’estrema rapidità’ con la quale la sovrapposizione quantistica perderebbe coerenza a causa dell’interazione con l'ambiente.
Il primo a supporre che un tale esperimento di tunneling quantistico macroscopico fosse possibile in un sistema reale fu nel 1978 Antony Leggett, premio Nobel per la Fisica 2006, che propose che in un circuito superconduttivo la coerenza di fase macroscopica del superconduttore e l’assenza di resistenza elettrica creassero le condizioni per osservare fenomeni di tunneling quantistico macroscopico.
Contributi chiave
Nei primi anni 80’ John Clarke, professore al Dipartimento di Fisica dell’Universita’ della California a Berkeley, John Martinis e Michel Devoret, rispettivamente senior PhD e postdoc nel gruppo di Clarke, fecero una serie di esperimenti per testare il tunneling quantistico macroscopico in un circuito superconduttivo. Costruirono un apparato che comprendeva una giunzione Josephson tra due superconduttori, nella quale scorreva una corrente iniettata esternamente. La dinamica del sistema e’ descritta in termini della caduta di fase superconduttiva ai capi della giunzione. Quest’ultima gioca il ruolo della posizione di una particella, ma di fatto descrive un comportamento collettivo macroscopico del circuito superconduttivo. Sotto un certo valore critico della corrente iniettata la giunzione non sviluppa resistenza e la caduta di fase e’ costante nel tempo: in qualche maniera quest’ultima “vede" una barriera di potenziale che le impedisce evolvere nel tempo. Appena sotto il valore critico di corrente il sistema e’ soggetto ad attivazione termica, quindi riducendo la temperatura classicamente ci si aspetta che diminuisca la probabilita’ di attivazione. Se pero’ il sistema si comporta collettivamente in maniera quantistica e’ possibile che la fase, come se fosse una particella, passi attraverso la barriera, facendo saturare anziche’ diminuire ulteriormente la probabilita’ di attivazione al diminuire della temperatura. Gli esperimenti di Clarke, Devoret e Martinis dimostrarono inequivocabilmente non solo che il circuito elettrico macroscopico mostrava tunneling quantistico macroscopico, ma anche che il sistema mostrava stati quantizzati di energia, proprio come un atomo.
Il successo di questi esperimenti ha portato allo sviluppo di una branca di ricerca sui circuiti superconduttivi, che ha visto la realizzazione di vari qubit tra cui il Trasmone, in una collaborazione tra le Universita’ di Yale, con il contributo di Devoret, e Sherbrooke, e che e’ stato utilizzato in un esperimento condotto ai laboratori Google AI Quantum e diretto da Martinis, tra i primi a dimostrare un vantaggio quantistico. Questi contributi fanno parte di uno sforzo piu’ generale verso le nuove tecnologie quantistiche e hanno posto le basi per il proliferare di attivita’ accademiche e non che hanno a che fare con la fisica quantistica.
Bio
Luca Chirolli e’ un ricercatore a tempo determinato del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Universita’ di Firenze. Ha conseguito la laurea in Fisica a Bologna e il dottorato in Fisica a Costanza (DE). La sua attivita’ di ricerca e’ incentrata sulla fisica quantistica dei sistemi e dei dispositivi a stato solido, in particolare superconduttori e circuiti quantistici ibridi superconduttivi. In passato ha svolto attivita’ di ricerca in vari istituti di ricerca rinomati a livello internazionale, tra cui figurano la Scuola Normale Superiore di Pisa, il CSIC a Madrid, l’Universita’ della California a Berkeley e il Technology Innovation Institute ad Abu Dhabi.