Serge Haroche: L'uomo che ha catturato la luce senza ucciderla

Serge Haroche ha trascorso quindici anni a inseguire un singolo fotone all'interno di una scatola di specchi, cercando di vederlo senza distruggerlo: un'impresa che i fisici definivano impossibile fin dai primi giorni della meccanica quantistica. Quando finalmente ci è riuscito nel 2006, non aveva solo misurato la luce; aveva guardato un gatto di Schrödinger morire in tempo reale, fotogramma dopo fotogramma, e catturato il momento in cui la realtà quantistica crolla nel mondo ordinario.

Da Casablanca all'École Normale

Haroche è nato l'11 settembre 1944 a Casablanca, allora Marocco francese, in una famiglia bilingue: il russo della madre Valentine Roubleva, la cui famiglia era fuggita dalla Rivoluzione bolscevica, e il francese del padre avvocato Albert, i cui genitori erano stati educatori presso l'Alliance Israélite Universelle. La famiglia si trasferì a Parigi nel 1956 dopo l'indipendenza del Marocco, un cambiamento climatico e culturale lacerante per un ragazzo cresciuto tra aranci e la costa atlantica. Al Lycée Louis-le-Grand ha studiato intensamente per i punitivi esami di ammissione francesi e, nel 1963, si è classificato primo a livello nazionale sia per l'École Polytechnique che per l'École Normale Supérieure. Ha scelto l'ENS, ritenendola la migliore rampa di lancio per una carriera scientifica, e lì è caduto sotto l'incantesimo di tre formidabili insegnanti: Alfred Kastler per l'intuizione fisica, Jean Brossel per il rigore sperimentale e Claude Cohen-Tannoudji, che è diventato il suo supervisore di dottorato.

Atomi vestiti e una deviazione californiana

Sotto Cohen-Tannoudji, Haroche ha sviluppato l'immagine dell'«atomo vestito»: trattare un atomo immerso in una radiazione a radiofrequenza come un atomo perennemente avvolto in una nuvola di fotoni, una riformulazione che ha dato alla spettroscopia a microonde un vocabolario autenticamente quantistico. Ha terminato il dottorato nel 1971 e ha accettato un posto di post-dottorato a Stanford con il pioniere del laser Arthur Schawlow, che gli ha lasciato una massima che avrebbe ripetuto per decenni: il successo nella ricerca non richiede una conoscenza enciclopedica, ma poche cose che nessun altro sa. Lavorando con lo studente laureato Jeffrey Paisner, ha studiato i battiti quantistici atomici e ha presentato i risultati a una conferenza del 1973 a Vail: il suo primo vero assaggio del circuito internazionale della fisica.

Costruire cavità a Parigi

Tornato a Parigi nel 1973, Jean Brossel gli diede spazio di laboratorio all'ENS e Haroche iniziò, con lo studente Michel Gross, uno studio sistematico degli atomi di Rydberg: atomi pompati in enormi e fragili orbite elettroniche vicino al punto di ionizzazione. Nel decennio successivo il gruppo è cresciuto: Claude Fabre, poi Jean-Michel Raimond, poi lo specialista di microonde Philippe Goy e più tardi Michel Brune. Insieme hanno costruito l'apparato che avrebbe definito la carriera di Haroche: cavità superconduttrici raffreddate così vicino allo zero assoluto, e lucidate così precisamente, che un singolo fotone a microonde poteva rimbalzare all'interno per un decimo di secondo, viaggiando la distanza equivalente dalla Terra alla Luna prima di morire. Gli atomi di Rydberg, sensibili alla minima sollecitazione elettromagnetica, venivano inviati uno a uno attraverso la cavità come rivelatori viventi, in grado di registrare la presenza di un fotone senza assorbirlo.

Catturare il gatto di Schrödinger in flagrante

L'idea decisiva è nata da una conversazione transatlantica. In visita a Rio de Janeiro nel 1989, Jean-Michel Raimond ha iniziato a scambiare idee con i teorici Luiz Davidovich e Nicim Zagury sul conteggio dei fotoni in modo non distruttivo: uno schema che, in linea di principio, potrebbe anche generare e sondare stati di «gatto di Schrödinger», in cui un campo di luce esiste in due condizioni contraddittorie contemporaneamente. Un articolo del 1991 su Physics Today di Wojciech Zurek ha convinto Haroche che l'esperimento era a portata di mano. Ci sono voluti altri quindici anni di costruzione di cavità per arrivarci. Nel 2006, con i post-dottorandi Stefan Kuhr e Igor Dotsenko, il team ha raggiunto una serie di primati: hanno contato singoli fotoni a microonde senza distruggerli, hanno osservato un campo saltare tra stati quantistici in tempo reale, hanno preparato veri stati di gatto di Schrödinger di luce e poi — risultato culminante — hanno misurato direttamente la decoerenza, guardando la sovrapposizione dissolversi in un comportamento classico ordinario passo dopo passo. È stato, in effetti, il primo video sperimentale diretto della meccanica quantistica che si trasforma nel mondo quotidiano.

Il Nobel e il seguito

Il 9 ottobre 2012, l'Accademia reale svedese delle scienze ha conferito a Haroche il premio Nobel per la fisica, condiviso con il fisico americano David J. Wineland, «per metodi sperimentali rivoluzionari che consentono di misurare e manipolare singoli sistemi quantistici». Wineland aveva ottenuto imprese parallele con ioni intrappolati; Haroche l'aveva fatto con fotoni e atomi: due percorsi verso la stessa frontiera, controllando singoli oggetti quantistici senza distruggere la fragile proprietà che li rende quantistici. Haroche ha detto in seguito che l'entità dell'attenzione pubblica che ne è seguita ha superato persino quella della medaglia d'oro del CNRS, ricevuta nel 2009, e che ha dovuto imparare a dire di no semplicemente per proteggere il tempo per continuare a lavorare. Lo stesso anno è stato eletto amministratore del Collège de France, dove occupava la cattedra di fisica quantistica dal 2001 dopo essere stato reclutato da Cohen-Tannoudji e Pierre-Gilles de Gennes; ha servito come amministratore fino al 2015. Ha anche ricoperto posizioni di visita o part-time a Yale, al MIT, ad Harvard e all'École Polytechnique, e successivamente una cattedra Fermi all'Università Sapienza di Roma nel 2022.

Perché Serge è chiamato un genio

Il genio di Haroche è ristretto, profondo e quasi interamente sperimentale: la pazienza di trascorrere quindici anni a perfezionare uno specchio. Il suo reale contributo intellettuale non è stata una nuova equazione, ma un ambiente controllato: una cavità abbastanza pulita e fredda, e uno schema di rilevamento abbastanza delicato, da consentire ai fisici di guardare la sovrapposizione quantistica morire invece di dedurre semplicemente che deve morire. È un tipo di genio diverso da quello di Einstein o Feynman — più vicino a quello di un maestro costruttore di strumenti — e lo stesso Haroche lo attribuisce alla collaborazione piuttosto che alla solitaria genialità, insistendo sul fatto che «tempo e fiducia» contavano più del denaro nel suo laboratorio. La motivazione del comitato Nobel definisce il lavoro «rivoluzionario», l'uso più istituzionalmente importante del termine disponibile in fisica, e i colleghi hanno a lungo descritto il programma di QED in cavità Kastler-Brossel da lui costruito come l'apertura di un intero sottocampo, la scienza dell'informazione quantistica, alla prova sperimentale. Il controargomento onesto: Haroche non ha scoperto la decoerenza teoricamente — Zurek e altri l'avevano descritta anni prima — e il suo trionfo è stato confermare una previsione nota, in modo squisito, piuttosto che concepirla. Premia l'artigianalità, la tenacia e la cultura di laboratorio tanto quanto la pura intuizione.

Eredità

Le tecniche di QED in cavità di Haroche sono diventate strumenti fondamentali per l'informatica quantistica e la correzione degli errori quantistici, campi che oggi occupano migliaia di ricercatori e diverse grandi aziende tecnologiche. Rimane professore emerito al Collège de France e il libro che ha scritto con Raimond, Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons (2006), è ancora un riferimento standard per il campo che ha contribuito a inventare.