Definito un ponte tra la meccanica quantistica del microscopico e il mondo descritto dalla fisica di Galileo e Newton
I tre scienziati sono stati premiati per “la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico“. In altre parole, hanno dimostrato che gli effetti quantistici osservati in un mondo a poche particelle sono osservabili anche nei sistemi a molte particelle.
La meccanica quantistica
Il comitato del Nobel ha affermato che “non esiste oggi alcuna tecnologia avanzata che non si basi sulla meccanica quantistica, compresi i telefoni cellulari, le macchine fotografiche e i cavi in fibra ottica”. Clarke, Devoret e Martinis hanno condotto esperimenti su circuiti elettrici nei quali le proprietà della meccanica quantistica possono essere osservabili direttamente su scala macroscopica.
Gli effetti quantistici iniziano a manifestarsi dai 100 nanometri in giù, ossia sotto il decimillesimo di millimetro. Normalmente essi sono significativi su una scala che coinvolge singole particelle. Non appena ne vengono coinvolte un gran numero, gli effetti della meccanica quantistica diventano solitamente insignificanti. Ma quale è la massima dimensione di un sistema che può mostrare effetti quantistici?
I superconduttori
A metà degli anni ’80, Clarke, Devoret e Martinis condussero una serie di esperimenti con un circuito elettronico costituito da superconduttori, materiali che al di sotto di certe temperature sono in grado di condurre corrente senza alcuna resistenza elettrica, ossia di non ostacolare in alcun modo il passaggio di corrente elettrica. Nel circuito, i componenti superconduttori erano separati da un sottile strato di materiale non conduttivo realizzando una “giunzione Josephson”.
L’effetto tunnel
In un oggetto macroscopico, come un pallone da calcio, c’è un numero enorme di molecole 
e non si osservano effetti quantistici. Se lo lanciamo contro un muro, rimbalza. Una singola particella come un elettrone, invece, ha una probabilità non nulla di, attraversare direttamente una barriera e riapparire dall’altra parte. Questo fenomeno di meccanica quantistica è chiamato effetto tunnel ed è dovuto alla doppia natura di tutte le particelle quantistiche di onda e corpuscolo.
Con misure statistiche su numerose ripetizioni, Clarke, Devoret e Martinis hanno osservato che un sistema macroscopico può passare a uno stato diverso per effetto tunnel. L’esperimento ha avuto importanti conseguenze per la comprensione del mondo microscopico aprendo la strada alle nuove tecnologie quantistiche.
Chi sono i tre fisici premiati
John Clarke, nato nel 1942 a Cambridge, Uk, è professore all’Università della California di Berkeley, Stati Uniti. Michel H. Devoret, nato a Parigi (Francia) nel 1953, insegna alle Università di Yale e della California a Santa Barbara (Stati Uniti). Anche John M. Martinis, statunitense, classe 1958, è professore all’Università della California.
John Clarke e lo SQUID
Il primo, fondamentale mattone di questo lavoro fu posto da John Clarke con lo sviluppo 
dello SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). In apparenza, è semplicemente un magnetometro ad altissima sensibilità. Clarke ha sfruttato un fenomeno macroscopico, la superconduttività, per amplificare e rendere misurabile un effetto puramente quantistico. Lo SQUID di Clarke sfrutta una proprietà collettiva, come la superconduttività di un anello di metallo, per rivelare una legge quantistica come la quantizzazione del campo magnetico.
Michel Devoret e la decoerenza
Il problema fondamentale che ha ostacolato per decenni il progresso nella fisica quantistica è stata la decoerenza e cioè la rapida distruzione degli effetti quantistici a causa delle interazioni con mondo macroscopico. Il lavoro di Devoret ha indagato il meccanismo col quale gli effetti quantistici si perdono. Ha dimostrato che la transizione ha dei punti di rottura definibili e ha fornito una descrizione del territorio di frontiera tra quantistico e classico.
John Martinis e il Qubit
Se Clarke ha fornito il sensore e Devoret la teoria della stabilità, John Martinis è stato 
l’architetto che ha unito tutto in una struttura unitaria. Il suo merito risiede nel costruire processori quantistici con un numero sempre maggiore di qubit. Esso è analogo al bit classico ma con proprietà quantistiche che gli consentono di essere in uno stato di sovrapposizione tra gli stati 0 e 1. Il qubit superconduttivo di Martinis non è un atomo o una particella. È un circuito elettrico, stampato su un chip di silicio, composto da miliardi di atomi. Eppure, questo oggetto macroscopico obbedisce alle leggi della meccanica quantistica.
Il confine tra quantistico e classico
Per un secolo, il confine tra il regno dei quanti e il mondo macroscopico è stato il più grande mistero irrisolto della fisica. Da un lato, le particelle elementari hanno le loro stravaganti proprietà quantistiche. Dall’altro, le sedie su cui ci sediamo sono solide, occupano un posto preciso e obbediscono alle leggi di Newton. Il collasso della funzione d’onda e la decoerenza erano concetti astratti, e presenti solo a livello microscopico.
I tre nuovi premi Nobel hanno dimostrato che il confine tra quantistico e classico non è una questione di dimensione, ma di complessità e di architettura. Un oggetto macroscopico può comportarsi quantisticamente se è progettato per essere sufficientemente semplice e isolato dalla decoerenza. Il qubit superconduttivo è la prova vivente che la stranezza quantistica non è una proprietà esclusiva dell’infinitamente piccolo, ma una potenzialità della materia che può essere osservata a scale molto più grandi.
La realtà
Clarke, Devoret e Martinis non hanno risposto alla domanda filosofica sul perché il Mondo appaia classico. Piuttosto hanno trasformato un mistero metafisico in un problema di fisica della materia condensata, di scienza dei materiali e di ingegneria elettronica. Hanno costruito il ponte attraverso il quale possiamo osservare la realtà mentre prende forma.
Nicola Sparvieri
Foto ©: Il Digitale, USI, Physics Open Labs, Media INAF, LNF INFN
