Il Premio Nobel per la Fisica 2025 è stato assegnato a John Clarke, Michel Devoret e John Martinis “per la scoperta dell’effetto tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”. Il riconoscimento valorizza il lavoro svolto a metà degli anni ’80, che descrisse il comportamento quantistico visibile nei circuiti superconduttori macroscopici.

IDTechEx considera il premio come una pietra miliare che collega la fisica fondamentale delle basse temperature all’attuale corsa tra le aziende che si occupano di quantum computing commerciale e quantum sensing.

A partire da questi inizi accademici, i circuiti superconduttori sono diventati uno degli approcci principali per la costruzione di un computer quantistico commercialmente scalabile.

Raggiungere questo obiettivo ha un valore ben superiore a quello di una medaglia d’oro del Premio Nobel, con l’industria dell’informatica quantistica che si prevede supererà i 21 miliardi di dollari di fatturato annuo entro il 2046, secondo il rapporto di ricerca di mercato IDTechEx “Quantum Computing Market 2026-2046: Technology, Trends, Players, Forecasts”.

I fondamenti dei qubit superconduttori

L’implementazione più comune del qubit superconduttore è il “transmon“, termine che si riferisce all’uso delle linee di trasmissione (transmission lines). Altre varianti includono i qubit a flusso (fluxonium) o i qubit bosonici; questi diversi design sono utilizzati principalmente per minimizzare il rumore o migliorare le prestazioni in aspetti specifici.

I qubit transmon, proposti per la prima volta nel 2007, sono diretti discendenti del lavoro del trio Nobel. Vengono creati collegando in parallelo (in gergo, shunting capacitivo) una giunzione Josephson.

Una giunzione Josephson è formata da due pezzi di materiale superconduttore separati da una sottile barriera isolante, che è sufficientemente sottile (nell’ordine dei nanometri) da consentire l’effetto tunnel quantistico.

A temperature inferiori alla temperatura critica del materiale superconduttore, le cariche fluiscono come coppie di Cooper, le quali possono attraversare per effetto tunnel la barriera isolante a una corrente critica del materiale che dipende dal materiale stesso, dalla sua temperatura e dalle sue dimensioni.

La corrente critica della giunzione Josephson determina l’induttanza del circuito e, di conseguenza, la frequenza del qubit. La corrente critica della giunzione è esponenzialmente sensibile allo spessore della barriera isolante.

Di conseguenza, variazioni nell’ordine degli angstrom (circa 0,1 nm) nello spessore del materiale isolante depositato possono produrre variazioni percentuali nella corrente critica, che a loro volta causano variazioni percentuali nella frequenza del qubit. Le variazioni di frequenza tra un qubit e l’altro possono ridurre la resa del chip quantistico o complicare le operazioni.

Sono pertanto necessarie tecniche di microfabbricazione precise per depositare strati di materiale superconduttore e isolante su un substrato nella struttura corretta.

Dall’esperimento di fisica al chip prodotto in serie

Oggi, i protagonisti del quantum computing come IBM Quantum, Google Quantum AI, Rigetti e IQM utilizzano strumenti litografici sviluppati per i processi CMOS per modellare migliaia di qubit identici su un singolo wafer.

Sfruttando questi metodi di fabbricazione maturi, gli attori che utilizzano i qubit superconduttori hanno piani ambiziosi per sbloccare il quantum computing commercialmente utile entro la fine di questo decennio.

IBM ritiene che entro il 2029 saranno disponibili sistemi completamente a correzione di errore, con un sistema “Starling” in grado di eseguire 100 milioni di gate, e che una successiva espansione dopo il 2030 continuerà a sbloccare applicazioni generali nel quantum computing.

Nel frattempo, Google Quantum ha stabilito la prima prova di “supremazia quantistica” già nel 2019 con il suo processore “Sycamore”, sebbene questo fosse strettamente un risultato di laboratorio senza applicazione commerciale. Ciononostante, Google condivide ambizioni simili nel costruire un processore commercialmente rilevante entro la fine di questo decennio.

I circuiti superconduttori vengono utilizzati perché operano a temperature molto basse, dove le fonti di rumore sono intrinsecamente ridotte. Per questo motivo, una delle maggiori sfide di questo metodo riguarda il costo, lo spazio e la potenza dell’infrastruttura di raffreddamento necessaria.

Sensori quantistici: un mercato da quasi 2 miliardi di dollari

Nonostante l’attenzione dei media si concentri sul computing, lo stesso effetto tunnel è anche alla base di una classe di sensori quantistici.

Sensori ultra-sensibili chiamati SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), costruiti a partire dalle giunzioni Josephson, possono rilevare campi magnetici fino alla scala del femto-Tesla, consentendo l’imaging non invasivo degli impulsi neurali nel cervello.

Nel rapporto “Quantum Sensors Market 2026-2046: Technology, Trends, Players, Forecasts”, IDTechEx prevede che il mercato del quantum sensing raggiungerà gli 1,9 miliardi di dollari entro il 2046, con l’imaging medico come uno dei principali motori di adozione.

Prospettive di mercato per i prossimi 20 anni

L’annuncio del Premio Nobel arriva in un momento in cui i capitali continuano ad affluire nell’hardware quantistico superconduttore. I qubit superconduttori rappresentano l’approccio più popolare e detengono finora la quota maggiore di vendite e installazioni.

D’altro canto i costi dell’ingegneria criogenica, come i frigoriferi a diluizione da 10 mK necessari per il funzionamento dei circuiti superconduttori, rappresentano dei colli di bottiglia che potrebbero favorire approcci concorrenti, come le piattaforme a ioni intrappolati o ad atomi neutri, nel lungo termine.

Il rapporto IDTechEx “Quantum Computing Market 2026-2046: Technology, Trends, Players, Forecasts” include profili aziendali, analisi SWOT e roadmap tecnologiche per ciascun approccio al quantum computing.

Ciò che è chiaro è che la tecnologia dietro il Nobel per la Fisica di quest’anno è ora un attore di primo piano nella corsa globale per monetizzare le tecnologie quantistiche.