I quanti e le loro (impossibili/possibili) applicazioni. I padri fondatori della fisica dei quanti forse non immaginavano che i loro studi sul mondo microscopico avrebbero permesso di controllare le sue componenti talmente bene da poterle utilizzare per costruire qualcosa. Eppure, oggi, gli scienziati possono realizzare e manipolare con estrema precisione sistemi incredibilmente piccoli. Questo ci permette di pensare alle tecnologie quantistiche non solo nella teoria, ma soprattutto nella pratica. Matteo Rosati, laureatosi con il premio Nobel per la Fisica 2021 Giorgio Parisi e poi dottoratosi alla Scuola Normale Superiore di Pisa, già Marie Skłodowska-Curie Fellow presso l’Università Autonoma di Barcellona e attualmente Einstein Fellow presso la Technische Universität di Berlino, cerca qui, in questo articolo divulgativo, pubblicato su La Stampa del 22 giugno 2022, di descrivere alcune possibili applicazioni.
Su ItalianaContemporanea il testo è pubblicato nella pagina “La scienza“, consta di 1.426 parole e richiede per la lettura 6 minuti circa.
La meccanica dei quanti è diventata protagonista della ricerca e dello sviluppo dell’ultimo decennio: i principi che la guidano, il potenziale e gli scenari futuri, dai super-computer ai sensori per trovare pianeti lontani. Vi siete mai chiesti come faranno i viaggiatori spaziali a parlare con i loro cari sulla Terra, guardare le loro serie tv preferite o inviare messaggi segreti?
Le tecnologie quantistiche, teorizzate 30 anni fa e che oggi iniziano a muovere i primi passi, forniscono una possibile risposta a questi dubbi. Ma non saranno solo i viaggiatori spaziali a farne uso: anche per chi resterà a casa sul proprio pianeta queste tecnologie potrebbero giocare un ruolo fondamentale.
I padri fondatori della fisica quantistica, poco più che ragazzi quando scrissero una delle teorie più importanti dell’ultimo secolo, forse non immaginavano che i loro studi sul mondo microscopico avrebbero permesso di controllare le sue componenti talmente bene da poterle utilizzare per costruire qualcosa. Eppure, oggi, siamo a un punto di svolta: gli scienziati possono realizzare e manipolare con estrema precisione sistemi incredibilmente piccoli, costituiti da poche o singole particelle di vario tipo, ad esempio ioni, fotoni o minuscole correnti elettriche.
Questo livello di controllo ci permette di pensare alle tecnologie quantistiche non solo nella teoria, ma soprattutto nella pratica. L’ultimo decennio ha visto passi da gigante nella realizzazione dei primi, piccoli e imperfetti computer quantistici e la corsa alle tecnologie quantistiche ha coinvolto i più grandi “player” della scienza e tecnologia: Paesi come Cina, USA e UE, ma anche aziende del calibro di Google e IBM.
Cosa rende una tecnologia quantistica, esattamente? E quali sono le potenzialità e i limiti di queste tecnologie? Proviamo a capirci qualcosa.
Coerenza quantistica: l’unico mistero
Il tratto distintivo di un sistema quantistico rispetto ad uno classico è il fenomeno della coerenza, anche noto come principio di sovrapposizione. Per comprenderlo immaginiamo che due amici si mettano ai capi opposti di una piscina e si tuffino contemporaneamente: creeranno due onde d’acqua che viaggiano l’una verso l’altra. Una volta avvicinatesi, le due onde tenderanno a mischiarsi, entrando in uno stato che chiamiamo coerente o di sovrapposizione. Le due onde sono in grado di coesistere nello stesso punto e allo stesso tempo e possono interferire l’una con l’altra. Inoltre, è importante notare che, dopo essersi scontrate, le due onde si allontanano come se niente fosse accaduto, proseguendo ciascuna verso il lato opposto della piscina.
Un fenomeno simile si presenta anche per le particelle microscopiche, che normalmente consideriamo come delle “palline” solide e ben definite. Pensiamo ad uno ione di idrogeno, ovvero un atomo costituito da una sola particella (protone), carica positivamente. Diciamo che lo ione è un sistema quantistico, perché esso può, in certe situazioni, comportarsi come le due onde d’acqua e trovarsi in uno stato di sovrapposizione. Tra le due onde e lo ione, però, c’è un’importante differenza: le onde vengono considerate come due entità distinte, mentre, nel caso dello ione, la sovrapposizione si realizza fra due possibili stati di un singolo sistema.
Cerchiamo di essere più chiari: in laboratorio è possibile dare una spinta al nostro ione, colpendolo con un raggio laser, e farlo muovere verso sinistra o verso destra. Esiste però una terza alternativa, resa possibile dal principio di sovrapposizione: lo ione può trovarsi in uno stato coerente, ovvero in una sovrapposizione dei due comportamenti, l’essere in movimento verso sinistra e l’essere in movimento verso destra. Quando lo ione si trova in questo stato di sovrapposizione non significa che siamo incerti riguardo il suo movimento (verso sinistra oppure verso destra), ma che entrambe le cose sono vere allo stesso tempo. E’ come se esistessero due copie identiche dello stesso ione che si muovono in direzioni opposte e che, proprio come le due onde, possono persino interagire e influenzarsi l’un l’altra.
Se fate difficoltà a immaginare come uno ione si possa trovare in uno stato simile, allora siete in buona compagnia: il Premio Nobel per la Fisica Richard Feynman definì la coerenza come “l’unico mistero” della fisica quantistica. In altre parole, per noi che viviamo nel mondo macroscopico non è assolutamente normale che le cose funzionino in questo modo: non si è mai visto un pallone da calcio che si muove verso destra e verso sinistra allo stesso tempo; pensate che confusione durante le partite!
Dalla coerenza alla tecnologia
Oggi, sebbene non sappiamo spiegarci il perché della coerenza quantistica, siamo in grado di generarla e controllarla e questa abilità ha aperto le porte allo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Ma come si passa da un affascinante fenomeno fisico alla costruzione di una nuova tecnologia? L’esistenza degli stati di sovrapposizione dà al nostro ione molte più possibilità di esprimersi in modi che sarebbero impossibili secondo i canoni della fisica classica. Pertanto, costruendo un computer che opera con questi stati di sovrapposizione al suo interno, questo potrà realizzare operazioni che sarebbero impossibili ad un computer tradizionale. In questo modo le tecnologie quantistiche riescono a far leva su un fenomeno letteralmente incredibile e non visibile direttamente, come la coerenza, per ottenere un vantaggio concreto, quantificabile e visibile nella vita di tutti i giorni.
Potremo innanzitutto realizzare computer più potenti: queste possibilità di esplorazione forniscono un vantaggio esponenziale nel portare a termine alcuni tipi di calcoli. È il caso dell’algoritmo di fattorizzazione di Shor o del vantaggio quantistico dimostrato dagli esperimenti di Google e Cina. Attualmente molti ricercatori studiano come applicare queste potenzialità di calcolo alla simulazione di molecole e materiali complessi, che oggi siamo in grado di analizzare solo in maniera parziale, e all’analisi dei Big Data, nella speranza di scoprire nuovi metodi di classificazione.
Ma non è finita qui: la possibilità di creare stati di sovrapposizione dei fotoni, ovvero particelle di luce, ha numerosissime applicazioni. La tecnologia quantistica più sviluppata negli ultimi anni, nota come crittografia quantistica, permette teoricamente di scambiare messaggi in completa sicurezza. Si basa sull’estrema fragilità degli stati di sovrapposizione, che possono essere irrimediabilmente rovinati dall’interferenza causata da una spia, rendendola identificabile. Inoltre, la teoria prevede che un uso sapiente della coerenza renda più efficiente estrarre informazioni da un sistema quantistico, fornendo un vantaggio nelle telecomunicazioni e nella realizzazione di sensori. In questo caso la coerenza viene utilizzata in fase di misurazione e permette di chiedere al sistema misurato se si trova in un dato stato di sovrapposizione.
Ponendo le giuste domande a un sistema di uno o più fotoni, è pertanto possibile migliorare le telecomunicazioni, aumentando la quantità dei dati trasmessi e la distanza di trasmissione e riducendone il costo energetico. Allo stesso modo è possibile migliorare la precisione di tanti sensori basati sui segnali elettromagnetici, come quelli che leggono i dischi di memoria o identificano le stelle e i pianeti lontani. Siamo anche in grado di generare degli stati di sovrapposizione di più sistemi quantistici allo stesso tempo, un fenomeno noto come “entanglement”. Ad esempio, consideriamo un laboratorio con due ioni. Utilizzando dei raggi laser, possiamo mettere i nostri due ioni in uno stato di sovrapposizione fra l’essere entrambi in movimento verso destra e l’essere entrambi in movimento verso sinistra. Come sempre, questo fatto non è per nulla intuitivo, ma ciò non ci vieta di poterlo utilizzare per ottenere un vantaggio tecnologico che non sarebbe realizzabile altrimenti.
L’utilizzo di entanglement può portare a un notevole potenziamento dei sensori, ad esempio nel rilevamento di oggetti invisibili ai radar o nella risoluzione delle immagini satellitari. Infine, molti ricercatori stanno compiendo un enorme sforzo per la realizzazione di un Internet quantistico, basato sulla condivisione di entanglement fra punti distanti del globo. Una tale rete quantistica renderebbe possibile un ulteriore aumento della quantità di dati scambiati e della loro privacy. Ma i potenziali usi dell’entanglement fra località così distanti sono ancora da scoprire.
Nonostante i progressi, vi è ancora molta strada da percorrere. Dal punto di vista teorico, bisogna cercare nuove potenziali applicazioni, ma è importante identificare quali condizioni pratiche permettono alle tecnologie quantistiche di brillare maggiormente rispetto ai metodi classici. E’ sempre bene ricordare che le tecnologie quantistiche non sono in assoluto migliori di quelle classiche, ma solo in alcuni ambiti, e perciò non le sostituiranno completamente. È più verosimile che le une e le altre vengano sempre più combinate, sfruttando i pregi e i difetti di ciascuna. Dal punto di vista applicativo, invece, bisogna continuare a migliorare il controllo dei sistemi quantistici, permettendoci di sviluppare tecnologie quantistiche sempre più articolate, capaci di mostrare un vantaggio fuori dal laboratorio e nella vita di tutti i giorni. Sarà così che le strane leggi del mondo microscopico, per certi versi invisibili, potranno essere visualizzate da tutti e, chissà, forse non ci sembreranno più tanto incomprensibili.
Guida alla lettura
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Altro esercizio.
- Riassumete la spiegazione del concetto di “coerenza”.
- Elencate le applicazioni tecnologiche che sono state realizzate o sono in corso di realizzazione.
- Riassumete la spiegazione sul concetto di “entaglement” ed elencate le sue applicazioni