A John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis “per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”
L’Accademia Reale Svedese delle Scienze ha conferito il Premio Nobel per la Fisica 2025 a John Clarke (Università della California, Berkeley, USA), Michel H. Devoret (Università di Yale, New Haven, CT, e Università della California, Santa Barbara, USA) e John M. Martinis (Università della California, Santa Barbara, USA) “per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”.
Il Premio viene assegnato nell’anno internazionale delle scienze e tecnologie quantistiche proclamato dall'Unesco per il 2025, a riconoscimento delle implicazioni non solo scientifiche ma anche sociali della meccanica quantistica, a 100 anni dalla pubblicazione dell’articolo fondamentale di Verner Heisenberg che ne rappresenta una pietra miliare.
La meccanica quantistica è la teoria che descrive il comportamento del mondo microscopico, sulla cui scala avvengono fenomeni contrari al senso comune perché non trovano un corrispettivo nel mondo macroscopico di cui abbiamo esperienza tramite i nostri sensi. Un fenomeno emblematico è l’effetto tunnel quantistico. Nella nostra esperienza quotidiana, se lanciamo una pallina contro un muro, siamo certi che rimbalzerà indietro il 100% delle volte. Tuttavia, per una particella elementare esiste una probabilità, seppur piccola, che attraversi una barriera di potenziale —l’equivalente microscopico del muro. Questo fenomeno prende il nome di effetto tunnel quantistico.
E’ difficile dare una risposta univoca alla domanda di quale sia la scala alla quale i fenomeni tipici del mondo microscopico non diano origine a fenomeni osservabili sulla scala macroscopica, della nostra esperienza. Il premio Nobel per la fisica di quest’anno è stato assegnato a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis, perché, con una serie di esperimenti condotti nel 1984 e 1985, hanno dimostrato che l’effetto tunnel quantistico si può osservare anche alle scale macroscopiche.
Ciò avviene nelle giunzioni Josephson, costituite da due elettrodi superconduttori separati da un sottile strato isolante: una “particella” quantistica macroscopica, composta da migliaia di miliardi di particelle quantistiche, può attraversare barriere di potenziale per effetto tunnel, ossia penetrare regioni dove il moto classico sarebbe proibito, o addirittura esistere in sovrapposizioni di stati quantistici differenti.
L’importanza della scoperta del tunneling quantistico macroscopico va però ben oltre l’ambito della fisica fondamentale: essa ha fornito le basi per lo sviluppo delle nuove tecnologie quantistiche. A partire dalla prima evidenza sperimentale, ottenuta 26 anni fa, che è possibile fabbricare un bit quantistico (qubit), fino alle ricerche più recenti — guidate da uno dei premiati — che hanno dimostrato come un computer quantistico superconduttore da appena 53 qubit possa eseguire calcoli irrealizzabili anche per i più potenti supercomputer classici. Gli ambiti di sviluppo di queste tecnologie sono svariati, con applicazioni dal dirompente potenziale quali ad esempio la sensoristica quantistica di precisione e la crittografia quantistica.
Il Nobel per la Fisica 2025 premia dunque un percorso in cui convivono ricerca sui fondamenti della natura e applicazioni tecnologiche rivoluzionarie.
John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis
Il contributo dell’Università di Catania alla ricerca quantistica
All’interno del Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana” dell’Università di Catania opera il gruppo di ricerca in Tecnologie Quantistiche e Fisica Teorica della Materia , coordinato dal prof. Giuseppe Falci, attivo sin dalla fine degli anni ’80 nello studio dei fenomeni quantistici macroscopici — oggi alla base della computazione quantistica con superconduttori — e riconosciuto a livello internazionale.
Nel 2022, l’Università di Catania ha ottenuto un importante riconoscimento partecipando ai due grandi progetti nazionali Next Generation EU nel settore delle tecnologie quantistiche: NQSTI (National Quantum Science and Technology Institute ), per il quale coordina anche le attività di formazione e disseminazione su base nazionale, e ICSC (Centro Nazionale di Ricerca in HPC, Big Data and Quantum Computing ).
Grazie a questi progetti è stato avviato a Catania lo sviluppo di un ecosistema “quantum” a tutto campo, che integra ricerca, didattica, impresa e divulgazione.
L’Università di Catania offre oggi un percorso in Tecnologie Quantistiche nel corso di Laurea Magistrale in Physics e nel Dottorato di Ricerca in Fisica , oltre a un percorso di Programmazione Quantistica nel corso di Laurea in Informatica.
Propone inoltre un Master universitario di II livello in “Scienze e Tecnologie Quantistiche ", che nel biennio 2025/2026 vedrà la sua seconda edizione.
Il gruppo di lavoro del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Catania
Prof.ssa Elisabetta Paladino, ordinaria di Fisica teorica della materia, modelli, metodi matematici e applicazioni al Dfa di Unict