La scoperta protagonista del premio Nobel per la Fisica del 2025 (nella foto i vincitori del premio Nobel per la Fisica 2025: John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis. Crediti: © NobelPrize.org)

La meccanica quantistica è la branca della Fisica che studia le interazioni nel mondo microscopico: atomi, particelle subatomiche, particelle elementari. Se ne cominciò a parlare all’inizio del secolo scorso, quando una serie di esperimenti mostrarono che il comportamento del mondo microscopico non sottostà alle leggi per noi familiari della Fisica classica. Nella Fisica classica, infatti, le leggi sono deterministiche: a patto che si conoscano una serie di condizioni, si può prevedere in modo esatto come ogni sistema possa evolvere. Per la meccanica quantistica, invece, le particelle non interagiscono in modo deterministico, ma in modo probabilistico. Einstein stesso, all’epoca, prese le distanze da questa nuova Fisica, con la famosa frase: “Dio non gioca a dadi con l’Universo”. L’idea che la materia si comportasse in modo casuale era lontana da ciò che della Fisica si conosceva e studiava.

Grazie alla meccanica quantistica sappiamo, ad esempio, che l’energia delle particelle è quantizzata: questo significa che può assumere valori discreti, e non è un continuo. L’energia è quindi suddivisa a pacchetti: i cosiddetti quanti di energia. Un’altra conseguenza famosa è il principio di indeterminazione di Heisenberg: non si può conoscere, nello stesso momento e con la stessa precisione, la posizione e la quantità di moto di una particella, che è una grandezza legata alla sua velocità. Il motivo risiede proprio nella componente probabilistica della meccanica quantistica: un atomo è composto da un nucleo con degli elettroni che gli orbitano intorno, ma l'”orbita” non è prestabilita, come accade per i pianeti che girano intorno ad una stella. Nel caso degli elettroni, si parla di “orbitali”: sono regioni di spazio in cui è più probabile trovare un elettrone.

La meccanica quantistica ci ha permesso di capire come sia possibile che il Sole bruci da miliardi di anni: il meccanismo che lo tiene in vita è la fusione degli atomi di Idrogeno in Elio. Affinché due atomi di Idrogeno si fondano, devono avere così tanta energia da superare la barriera che li respinge: entrambi i nuclei degli atomi sono di carica positiva, e le cariche dello stesso segno si respingono. Perciò, secondo la Fisica classica, l’energia degli atomi che si incontrano dovrebbe essere superiore alla forza di repulsione, ma non ci sono abbastanza atomi con energia sufficiente a fondersi che spieghino come il Sole rimanga in vita. Invece, secondo la meccanica quantistica, grazie al cosiddetto effetto tunnel — teorizzato da George Gamow negli anni ’20 — un nucleo può “attraversare” la barriera anche senza disporre dell’energia necessaria: così, un numero significativo di nuclei riesce a fondersi nonostante la repulsione.

Il premio Nobel per la Fisica assegnato nel 2025 riguarda proprio l’effetto tunnel. I vincitori sono John Clarke (University of California, Berkeley), Michel H. Devoret (Yale University e University of California, Santa Barbara) e John M. Martinis (University of California, Santa Barbara e Qolab, Los Angeles). La loro scoperta ha per la prima volta mostrato come l’effetto tunnel, fenomeno fisico che pensavamo fosse confinato al mondo microscopico, possa essere osservato e manipolato anche a livello macroscopico, ovvero in sistemi grandi abbastanza “da essere toccati con mano”, come spiegato nel comunicato stampa della Royal Swedish Academy of Science che ha assegnato il premio. Hanno condotto esperimenti su “chip quantistici” (circuiti elettronici in superconduttori chiamati giunzioni Josephson), riuscendo a controllare e verificare il comportamento quantistico - effetto tunnel ed energia quantizzata- in un circuito talmente grande da essere visibile ad occhio nudo.

I ricercatori hanno mostrato che, nelle loro giunzioni Josephson, grandi gruppi di elettroni si comportano come se fossero una sola “particella collettiva”, capace di attraversare una barriera tramite effetto tunnel. Hanno misurato direttamente il passaggio da uno stato di “corrente ma nessuna tensione” (i superconduttori) a uno stato “con tensione”, osservando l’effetto tunnel macroscopico e la quantizzazione dell’energia nella variazione di stato del circuito. Sono riusciti a mostrare come il confine tra mondo microscopico e macroscopico sia molto più sottile di quanto si pensasse.

La loro scoperta ha portato, tra le altre cose, alla realizzazione dei primi prototipi di computer quantistici basati su superconduttori. I computer quantistici sono dispositivi che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica per risolvere problemi complessi. Si basano sui qubit, una sorta di analogo quantistico dei bit che conosciamo, e che, potendo esistere in più stati contemporaneamente, consentono calcoli paralleli e quindi maggiore velocità e efficienza rispetto ai computer classici.