Il 10 dicembre, tre ricercatori quantistici hanno ricevuto il Premio Nobel a Stoccolma. Allo stesso tempo, il campo di ricerca della meccanica quantistica ha celebrato quest’anno il suo centenario. In un’intervista in due parti, il professore dell’ETH Klaus Ensslin ripercorre gli inizi e spiega dove si sta dirigendo la tecnologia.
La scorsa settimana il Premio Nobel per la Fisica è stato ufficialmente assegnato a tre scienziati quantistici. Quanto è stato importante il loro lavoro per la ricerca quantistica?
Klaus Ensslin: Quarant’anni fa, i tre ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che l’effetto tunnelling della meccanica quantistica funziona anche per oggetti macroscopici, non solo per singole particelle come elettroni o protoni. Questo ha sollevato la questione generale di quanto possa essere grande un sistema per soddisfare comunque le leggi della meccanica quantistica. Il computer quantistico è un sistema molto grande, composto da molti qubit per eseguire un calcolo significativo. Si è trattato quindi di una scoperta molto importante.
Quest’anno non solo è stato assegnato il Premio Nobel per la ricerca quantistica, ma il 2025 ha segnato anche i 100 anni della meccanica quantistica. Cosa è successo nel 1925?
Le Nazioni Unite avrebbero potuto scegliere un anno diverso. Ma nel 1925 sono successe molte cose e sono stati pubblicati molti studi importanti. Ma non è che la meccanica quantistica non esistesse prima di allora e che tutto fosse chiaro dopo. La meccanica quantistica ha coinvolto molti ricercatori per un lungo periodo di tempo.
Anche dopo tutti questi anni di ricerca, i principi della meccanica quantistica sembrano ancora sconosciuti a molte persone. Perché?
Nella vita quotidiana non incontriamo molte affermazioni della meccanica quantistica. Per esempio, questo "sia e sia": noi esseri umani non possiamo essere a Parigi e a Zurigo allo stesso tempo. Ma a livello microscopico, è possibile che oggetti come elettroni o fotoni si trovino in più luoghi contemporaneamente. Per inciso, anche Albert Einstein all’epoca pensava che questo fosse impossibile. Le sue critiche fecero progredire la ricerca quantistica.
Tuttavia, ci sono voluti decenni prima di poter dimostrare che due o più particelle entangled rimangono collegate anche a grandi distanze.
In effetti, solo alla fine degli anni Settanta sono stati condotti i primi esperimenti per dimostrare che questa non-località esiste davvero. Nel frattempo, l’esperimento viene effettuato nelle esercitazioni degli studenti. Anche in Svizzera ci sono stati importanti esperimenti sulla non-località. A partire dagli anni 2000, questi hanno portato alle prime applicazioni utili della crittografia quantistica, ad esempio per i sistemi di crittografia a prova di intercettazione, introdotti per la prima volta sul mercato da un’azienda ginevrina.
Il computer quantistico dovrebbe un giorno essere in grado di risolvere problemi di calcolo molto più velocemente di un computer convenzionale. Quando pensa che ciò avverrà?
L’idea di un computer quantistico ha quasi 50 anni e le idee di base risalgono al fisico americano Richard Feynman. Già alla fine degli anni ’70 aveva previsto che in futuro alcuni computer si sarebbero basati sugli stati quantici. Google ha già un computer quantistico in grado di eseguire calcoli che non sono possibili con i metodi convenzionali. Ora tutti aspettano che sia in grado di calcolare qualcosa di importante per il mondo. Credo che tra dieci anni sarà possibile risolvere un grande problema che al momento non possiamo risolvere.
A che tipo di problema sta pensando?
Potrebbe essere, ad esempio, il calcolo della struttura e dei livelli energetici di una molecola complicata, importante per la produzione di fertilizzanti. La produzione di fertilizzanti è responsabile di diversi punti percentuali delle emissioni di CO2 e qualsiasi miglioramento, anche minimo, avrebbe conseguenze enormi.
I computer quantistici utilizzano i qubit come unità di dati. Questi possono assumere gli stati 0 e 1 allo stesso tempo. Questo rende i computer quantistici estremamente efficienti per determinati compiti. Tuttavia, produrre qubit è molto complesso. Quanti sono già possibili?
Attualmente i ricercatori universitari possono produrre tra i 50 e i 100 qubit. I team delle grandi aziende e delle start-up stanno già lavorando con circa 1000 qubit. Si dice che sia necessario circa un milione di qubit per fare qualcosa di utile. Al Politecnico di Zurigo, colleghi come Jonathan Home e Andreas Wallraff stanno studiando come produrre e controllare un numero maggiore di qubit.
Come si fa a passare da cento a un milione di qubit?
Le idee sono molte, ma la strada da percorrere è ancora lunga. Un altro approccio consiste nel cercare di formulare i problemi in modo tale da poter trovare una risposta significativa con soli 10.000 qubit. Markus Reiher dell’ETH sta studiando come ridurre i problemi complessi in modo da poterli risolvere con i computer quantistici più semplici possibili. Entrambi gli approcci, la produzione di più qubit e la scomposizione dei problemi, hanno senso. E a un certo punto ci si incontra nel mezzo.
Tuttavia, anche il materiale portante è fondamentale. Determina la stabilità di un qubit, la sua facilità di controllo e la possibilità di collegarlo ad altri qubit. Come si sono sviluppati i materiali negli ultimi decenni?
L’arseniuro di gallio, con cui ho lavorato durante la mia tesi di dottorato negli anni ’80, era considerato all’epoca il materiale del futuro. È ancora il materiale più puro che conosciamo oggi. Ma è problematico per un computer quantistico perché il gallio e l’arsenico hanno spin nucleari. Questo disturba gli spin degli elettroni nel guscio ed è difficile da controllare.
Il silicio è quindi emerso come possibile materiale portante. In primo luogo, il silicio può essere realizzato senza spin nucleari. In secondo luogo, l’industria dei semiconduttori di tutto il mondo sa come produrre miliardi di transistor basati sul silicio. Questo materiale è presente in ogni computer portatile. Ma poi si è scoperto che la faccenda non era così semplice.
Poi, circa vent’anni fa, è arrivato il grafene. Il nostro gruppo di ricerca ha studiato i sistemi quantistici basati sul grafene in una fase iniziale. Il grafene presenta tutti i vantaggi del silicio, ma ha anche un numero quantico aggiuntivo che può essere compreso e controllato con precisione. Si tratta del cosiddetto numero quantico di valle. Indica la valle energetica in cui si trova un elettrone. Con il grafene possiamo manipolarlo, accenderlo, spegnerlo e così via. Con il silicio, invece, il numero quantico di valle è sempre così ossessionante e cerchiamo di aggirarlo senza riuscire a controllarlo. Ora stiamo cercando di costruire un nuovo tipo di qubit basato sul grafene.
Quanto siete lontani dall’obiettivo di produrre il primo qubit al grafene?
Ci sono solo pochi gruppi in tutto il mondo che stanno facendo ricerca sui qubit nel grafene. Quando lo si spiega sembra relativamente semplice. Ma nei dettagli non è poi così semplice. nel 2017, uno studente di dottorato ha avuto l’idea cruciale di come realizzare un transistor a singolo elettrone che può essere acceso e spento utilizzando un elettrodo aggiuntivo di grafene. Da allora siamo riusciti a catturare singoli elettroni in modo mirato. Abbiamo compreso lo stato di spin, lo stato di carica e ora anche lo stato di valle. Ma quello che non possiamo ancora fare è mettere insieme due stati ben definiti e agganciarli in modo coerente. E questo è necessario per un qubit. La tecnologia di misurazione è nota, così come la procedura di misurazione, e abbiamo il materiale sotto controllo. Ma realizzare queste idee in laboratorio richiede più tempo del previsto.
Qual è il problema?
Ci sono molte cose che possono andare storte nella fisica sperimentale. Un filo si stacca improvvisamente a basse temperature. Il criostato ha una perdita. Oppure qualcuno applica una tensione troppo alta e il campione si rompe. Sono tutte banalità con cui abbiamo lottato per due anni. In linea di principio, sappiamo come fare. Abbiamo il campione, possiamo farlo. Ecco perché sta arrivando.
Su cosa stanno lavorando gli altri fisici quantistici del Politecnico di Zurigo?
Oltre a colleghi come Yiwen Chu, Jonathan Home e Andreas Wallraff, che stanno tutti sviluppando qubit con varie tecniche, all’ETH ci sono anche ricercatori come Tilman Esslinger. Egli non produce qubit, ma sta lavorando a un cosiddetto simulatore quantistico che può risolvere problemi completamente diversi. Christian Degen utilizza sistemi quantistici per sensori ultrasensibili. Lukas Novotny studia oggetti macroscopici reali nel loro stato di massa meccanico quantistico. Renato Renner studia le connessioni tra la teoria della relatività e la meccanica quantistica. Marina Marinkovic applica algoritmi quantistici a problemi di fisica delle particelle. Atac Imamoglu e Jerome Faist studiano l’interazione dei sistemi quantistici a semiconduttore con i fotoni. È affascinante che all’ETH copriamo quasi l’intero spettro della tecnologia quantistica: L’ampiezza dei temi di ricerca in questo campo al Politecnico di Zurigo è unica al mondo.
Quanto è importante la collaborazione nella ricerca quantistica?
Fortunatamente, all’ETH abbiamo riconosciuto fin dall’inizio la necessità di collaborare sul tema dei "quanti" per fare progressi. Nel 2007 abbiamo fondato un piccolo centro. Avevamo un budget molto gestibile e siamo stati in grado di utilizzarlo per finanziare due o tre dottorandi per la decina di cattedre coinvolte. Ma la collaborazione, lo scambio con gli altri e un buon networking sono essenziali, anche al di fuori dell’università. È questo il bello della fisica moderna: i miei colleghi lavoravano in fisica atomica, facevano ricerca sulle trappole ioniche o si occupavano di fisica dei semiconduttori. Ora ci parliamo tutti perché stiamo rispondendo a domande fisiche simili, ma con metodi completamente diversi. La ricerca quantistica ci ha riuniti tutti.
Cinque anni fa ha aperto i battenti il Quantum Centre del Politecnico di Zurigo, per avvicinare i ricercatori quantistici. Come sta andando?
La collaborazione procede bene e ci scambiamo regolarmente idee. Oltre a molti fisici, nel Quantum Centre sono rappresentati anche ingegneri elettrici e meccanici. Anche l’informatica è molto interessata ai sistemi quantistici. La scienza dell’informazione è essenziale quando si lavora sui computer quantistici. C’è un nuovo hardware, quindi è necessario anche un nuovo software. Quello che manca in Svizzera, e in realtà in tutta Europa, è un partner industriale che investa nei computer quantistici. Finora lo hanno fatto solo grandi aziende cinesi e statunitensi. È un peccato.
Cos’altro vorrebbe scoprire personalmente?
Sono alla fine della mia carriera. Allo stesso tempo, sono coinvolto in un importante progetto dell’UE che durerà fino alla metà del 2026. Vorrei realizzare un qubit basato sul grafene entro quella data. Naturalmente, spero che sia un qubit molto buono.
