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Fisica

Ai teorici dell’inflazione cosmica la medaglia Dirac 2019 dell’ICTP

Il riconoscimento istituito dal Centro Internazionale di Fisica Teorica “Abdus Salam” di Trieste è andato a Viatcheslav Mukhanov, Alexei Starobinsky e Rashid Sunyaev

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La medaglia e il premio Dirac dell’ICTP di Trieste di quest’anno sono stati assegnati a tre fisici la cui ricerca ha avuto un profondo impatto sulla cosmologia moderna. Viatcheslav Mukhanov (della Ludwig Maximilian University di Monaco), Alexei Starobinsky (del Landau Institute for Theoretical Physics di Mosca) e Rashid Sunyaev (del Max Planck Institute for Astrophysics di Garching in Germania) condividono il riconoscimento per “il loro eccezionale contributo alla fisica della radiazione cosmica di fondo (CMB, dall’inglese “Cosmic Microwave Background”) con implicazioni, confermate dagli esperimenti, che hanno contribuito a trasformare la cosmologia in una disciplina scientifica precisa, combinando la fisica a scala microscopica con la struttura a grande scala dell’universo”.

Tutti e tre i vincitori hanno contribuito durante la loro carriera in maniera significativa alla comprensione dell’Universo primordiale nel contesto della teoria cosmologica dell’inflazione.

Il CMB è una debole radiazione cosmica di fondo che permea tutto lo spazio. Nel modello del Big Bang, il CMB è una radiazione elettromagnetica residua, originata in una fase iniziale dell’universo, che può essere rilevata con un radiotelescopio sufficientemente sensibile. Scoperta per caso nel 1964 da due radioastronomi, Arno Penzias e Robert Wilson, è una delle principali prove della teoria del Big Bang per l’origine dell’universo.

Secondo la teoria cosmologica dell’inflazione, l’universo ha subito un’espansione esponenziale in un tempo estremamente breve, da 10-36 secondi a 10-33 secondi circa dopo la singolarità del Big Bang, detto “epoca dell’inflazione”. A tale fase è seguita un’ulteriore espansione dell’universo, molto più lenta, che continua ancora oggi.

Alexei Starobinsky fu uno dei primi a proporre una teoria dell’inflazione verso la fine degli anni ’70 del secolo scorso che fu poi ulteriormente sviluppata negli anni seguenti, con importanti contributi dagli studi portati avanti da Viatcheslav Mukhanov e da altri negli anni ‘80. Rashid Sunyaev, inoltre, aveva predetto la presenza di picchi acustici nel CMB già negli anni ‘70 e ha poi contribuito largamente agli esperimenti che hanno testato questi modelli. La teoria dell’inflazione è tuttora considerata uno dei contributi più rilevanti all’astrofisica e alla cosmologia moderne poiché non solo spiega molte proprietà dell’universo come lo conosciamo, come ad esempio il fatto che sia uniforme e piatto, ma fornisce anche una teoria per le fluttuazioni primordiali, che nessun altro modello ha ancora spiegato. Nel quadro della relatività generale e della teoria quantistica dei campi, la teoria dell’inflazione descrive queste fluttuazioni come derivanti da effetti quantistici su scala microscopica che hanno effetti macroscopici su scala cosmica, visibili nella formazione della struttura a grande scala dell’universo.

Le previsioni teoriche derivate da questo modello sono state confermate da numerosi esperimenti e hanno contribuito notevolmente alla cosmologia moderna.

“I calcoli sulle perturbazioni della densità primordiale rappresentano uno dei traguardi più belli della fisica teorica, poiché forniscono informazioni importanti sulle nostre origini e lo fanno con uno spettacolare accordo con gli esperimenti”, ha spiegato il direttore dell’ICTP Fernando Quevedo. “Gli importanti contributi apportati a questo campo dai tre vincitori sono in linea con gli alti standard della medaglia Dirac”.

“Il valore del loro lavoro si misura non solo dalla precisione delle loro previsioni” ha aggiunto Ravi Sheth, Staff Associate all’ICTP, “ma anche dal profondo impatto che il loro lavoro – e loro stessi – hanno avuto su intere generazioni di cosmologi.”

Da sinistra verso destra: Mukhanov, Starobinsky, Sunayev

Chi sono i vincitori

Viatcheslav Mukhanov è noto per la teoria dell’origine quantistica della struttura dell’universo. Nel 1981, mentre lavorava nell’Istituto Lebedev di Mosca, Mukhanov, in collaborazione con Gennady Chibisov, ha scoperto il meccanismo per la generazione di perturbazioni scalari della metrica spazio-temporale in un modello di inflazione cosmica inizialmente proposto da Starobinsky. Numerosi esperimenti di misurazione delle fluttuazioni di temperatura del CMB hanno confermato poi la sua previsione teorica che galassie e ammassi di galassie derivino da fluttuazioni quantistiche iniziali. Nel 1985 ha sviluppato ulteriormente un rigoroso formalismo per descrivere le perturbazioni della densità in molti modelli inflazionistici.

Alexei Starobinsky è considerato, insieme ad Alan Guth e Andrei Linde, un pioniere e uno dei principali formalizzatori della teoria dell’inflazione cosmica. Nel 1979 predisse l’esistenza di onde gravitazionali come conseguenza di ciò che successivamente si sarebbe chiamato inflazione.
Starobinsky in seguito propose una specifica versione dell’inflazione cosmica, che è ancora la più perfettamente coerente con le attuali osservazioni. Ha inoltre scritto uno dei primi articoli in cui siano state calcolate le perturbazioni della densità in uno dei più promettenti modelli di inflazione, detto “modello di inflazione slow-roll”. Ha sviluppato infine il formalismo dell’inflazione “stocastica”, un modello di inflazione più realistico rispetto ai precedenti.

Rashid Sunyaev ha portato contributi rivoluzionari ai campi della cosmologia fisica e dell’astrofisica ad alta energia. Nel 1970 predisse, insieme a Yakov Zeldovich, l’esistenza di picchi acustici nel CMB. Questi possono essere visti come gli elementi di un pattern nel cielo del CMB che evidenziano la sua stessa disomogeneità. Hanno inoltre predetto la diminuzione della luminosità del CMB in direzione di densi ammassi di galassie, fenomeno ora noto come effetto Sunyaev-Zeldovich. Questa scoperta rende possibile l’uso degli ammassi di galassie come potente strumento di osservazione cosmologica. È infatti il migliore strumento che abbiamo ancora oggi per misurare l’abbondanza e il movimento degli ammassi di galassie più lontani.

Cos’è la medaglia Dirac

Assegnata per la prima volta nel 1985, la Medaglia Dirac dell’ICTP è nata in onore di P.A.M. Dirac, uno dei più grandi fisici del XX secolo e un fedele amico del Centro. Il premio viene assegnato ogni anno il giorno del compleanno di Dirac, l’8 agosto, a scienziati che hanno dato un contributo significativo alla fisica teorica. La cerimonia di premiazione, durante la quale i tre vincitori terranno dei seminari sul loro lavoro, avrà luogo entro la fine dell’anno.





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ICTP, le Scienze

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Fisica

La galassia del Triangolo, vista da vicino

Il telescopio Hubble ci porta all’interno di una delle galassie più vicine alla Via lattea

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È una delle attrazioni più interessanti del cielo di novembre, e se  vi trovate in un luogo sufficientemente al riparo dall’inquinamento luminoso, seguendo le nostre istruzioni non avrete nemmeno troppi problemi a scovarla con un semplice binocolo (o persino a occhio nudo). La galassia del Triangolo – una delle più vicine a noi con i suoi soli tre milioni di anni luce di distanza – comparirà come una macchia di forma ovale, bluastra, in direzione delle costellazioni dell’Ariete e dei Pesci, a sud nella volta celeste. Grazie al telescopio Hubble, eccone però una versione super ravvicinata: un vero e proprio tuffo in direzione della sua grossa spirale di stelle.

Vista così, vi darà l’opportunità di scovare anche le sue irregolarità: polveri e gas non sono infatti distribuiti in maniera omogenea lungo i suoi bracci, e danno origine a dei grumi o, in gergo spaziale, ai cosiddetti fiocchi. Inoltre, lo zoom ci conduce con lo sguardo all’interno di una delle zone a maggiore intensità di formazione stellare: la nebulosa Ngc 604, avvolta dal bagliore di gas incandescente.

[Credit video: Nasa, Esa, and G. Bacon (STScI)]





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Fisica

Il misterioso aereo spaziale della Us Air Force ha battuto un altro record: è stato 780 giorni in orbita

Lo spaceplane X-37B è atterrato domenica mattina dopo oltre due anni di missione. Un successo, dicono dalla Us Air Force, ma lo scopo del volo da record continua a essere misterioso

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(foto: U.S. Air Force)

Un altro volo da record per il misterioso spaceplane X-37B, che domenica è atterrato, dopo ben 780 giorni in orbita, al Kennedy Space Center della Nasa, alle 3:51 locali. Decollato per la sua quinta missione il 7 settembre 2017, l’aereo spaziale – un veicolo di test riutilizzabile delll’aeronautica statunitense, ovviamente senza pilota – ha così battuto il suo precedente primato di 718 giorni. Un successo che riafferma la supremazia spaziale degli Stati Uniti, dicono dalla Us Air Force. Ma gli obiettivi dichiarati delle missioni rimangono un po’ vaghi.

Nonostante le cinque missioni alle spalle non si sa molto di X-37B, se non che assomiglia a quello che fu lo Space Shuttle (la navetta spaziale americana andata ormai in pensione) ma in dimensioni ridotte – soli 8,8 metri che non consentono di ospitare un equipaggio.

Ufficialmente la Air Force ha sempre dichiarato si tratti di un veicolo di test per sperimentare le tecnologie per le lunghe permanenze in orbita, a bordo del quale si svolgono esperimenti con medesima finalità e che consente anche il posizionamento di nuovi satelliti. Le scarne informazioni fornite hanno però contribuito ad alimentare un certo alone di mistero intorno alle cinque missioni dello spaceplane automatico, tant’è che c’è stato chi ha sospettato si tratti di un’arma per sabotare satelliti nemici.

Rimanendo sulla versione ufficiale, il segretario dell’Aeronautica militare Barbara Barrett ha commentato“L’X-37B continua a dimostrare l’importanza di un aereo spaziale riutilizzabile. Ogni missione successiva fa avanzare le capacità spaziali della nostra nazione”.

Finora lo spaceplane X-37B ha accumulato un totale di 2.865 giorni di volo. L’aereo spaziale riutilizzabile della Us Air Force si conferma una componente chiave per la futura esplorazione americana dello Spazio.

“Con il successo di questo atterraggio, l’X-37B ha completato il suo volo più lungo fino a oggi e ha completato tutti gli obiettivi della missione”, ha aggiunto Randy Walden, direttore dell’Air Force Rapid Capabilities Office. “Questa missione ha ospitato con successo esperimenti dell’Air Force Research Laboratory, tra gli altri, oltre a fornire un passaggio per piccoli satelliti“.





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Cos’è davvero un computer quantistico e perché potrebbe cambiare il mondo

Trapelato un articolo scientifico in cui Google afferma di essere riuscita a conseguire la “supremazia quantistica” con un processore superconduttivo. È l’inizio di una rivoluzione attesa da tempo

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(Immagine: Getty Images)

Notizia bomba nel campo dell’informatica quantistica. Trapelata, poi ritirata, ma mai smentita né confermata ufficialmente. La scorsa settimana è apparso su sito della Nasa un paper dal titolo Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, ossia Supremazia quantistica usando un processore superconduttivo programmabile. L’articolo è rimasto online per poche ore (fortunatamente qualche anima pia ha provveduto a salvarlo) ma tanto è bastato a generare una valanga di commenti, controversie, polemiche, supposizioni e speranze tra la comunità degli addetti ai lavori. Questo il succo: Sycamore, il computer quantistico di Google, sarebbe riuscito a conseguire la cosiddetta supremazia quantistica, ossia a svolgere nel giro di pochi minuti, e per la prima volta al mondo, una serie di operazioni che i computer tradizionali impiegherebbero decine di migliaia di anni a svolgere. Abbiamo cercato di capire, con l’aiuto di un esperto, quanto c’è da fidarsi, perché si tratta di una notizia così importante e cosa potrebbe cambiare nel futuro qualora fosse confermata.

Recap: cos’è e come funziona un computer quantistico

Cominciamo dalle basi, anche per sgomberare il campo da ambiguità e incomprensioni. Un computer quantistico sfrutta alcune tra le proprietà più bizzarre e controintuitive della meccanica quantistica per ottenere una potenza di calcolo di gran lunga superiore rispetto a quella di un computer (e di un supercomputer) classico. Come tutti sanno, l’unità minima di informazione di un processore convenzionale è il bit, un’entità binaria che può assumere i valori zero e uno a seconda del passaggio o meno di corrente. Dal canto loro, i processori quantistici usano i qubit, in genere particelle subatomiche come fotoni elettroni, che invece possono immagazzinare molte più informazioni: “I processori tradizionali”, racconta Tommaso Calarco, direttore del Jara-Institute Quantum Information e presiedente dello European Quantum Flagship Network“ammettono solo due stati, lo zero e l’uno, legati al passaggio o al non-passaggio di corrente, cioè di un flusso di elettroni. Nei processori quantistici, invece, ogni singolo elettrone trasporta un’informazione, il che amplifica enormemente la potenza di calcolo”.

Le leggi della meccanica quantistica, infatti, postulano (tra le altre cose) che ogni particella sia soggetta al cosiddetto principio di sovrapposizione, ossia – per dirla rozzamente – si possa trovare contemporaneamente, con probabilità diverse, in più stati differenti. “Il principio di sovrapposizione consente di superare il dualismo acceso/spento e di veicolare molta più informazione: una particella quantistica può rappresentare contemporaneamente più stati”. Il qubit, insomma, permette di parallelizzare i calcoli, cioè di svolgere molte, moltissime operazioni contemporaneamente.

Non sostituirà i computer tradizionali, per ora

Attenzione: quanto detto finora, probabilmente, non vuol dire che nel prossimo futuro i processori classici andranno definitivamente in pensione. Per la maggior parte delle operazioni convenzionali saranno ancora l’opzione più efficiente ed economica: usare un computer quantistico per il rendering di un video o per abbattere i mostri di un videogioco sarebbe come sparare a una mosca con un cannone. Diverso è il caso di settori come la scienza dei materiali, o l’industria farmaceutica, o la fisica delle particelle: in questi scenari un processore quantistico potrebbe davvero cambiare completamente – e per sempre – le regole del gioco, rendendo possibili avanzamenti tecnologici di vastissima portata e difficili da prevedere a priori.

A che punto siamo?

Questi mesi rappresentano una fase cruciale nella storia dello sviluppo dei computer quantistici. Appena pochi giorni prima del leak di Google, Ibm ha annunciato che a ottobre prossimo consentirà a ingegneri, fisici e informatici di accedere da remoto a un computer quantistico a 53 qubit, il più potente mai costruito dall’azienda e il maggiore mai messo a disposizione per uso esterno. La notizia è arrivata a coronamento di sforzi che vanno avanti da anni: nel 2017, come vi avevamo raccontato, gli scienziati di Ibm erano riusciti a simulare con successo un computer quantistico a 56 qubit all’interno di un processore tradizionale con 4.5 terabyte di memoria.

Dal canto suo, invece, Google ha a disposizione Sycamore, un computer a 54 qubit (uno dei quali sembra non funzionare come dovrebbe, e pertanto ne vengono utilizzati 53), e un altro sistema a 72 qubit, che al momento si è rivelato però troppo difficile da controllare. Tutto perché i sistemi quantistici sono estremamente delicati, e particolarmente suscettibili anche a impercettibili interferenze esterne (termiche ed elettromagnetiche, per esempio): “Per dare un’idea della difficoltà enorme di gestire e controllare i computer quantistici”, ci spiega ancora Calarco, “si può pensare ai qubit come ai componenti di un’orchestra chiamata a suonare la nona sinfonia di Beethoven. Però ciascun musicista deve riuscire a farlo con guantoni da boxe alle mani e casco sulla testa. E in una stanza tenuta a novanta gradi di temperatura. È un compito veramente molto, molto difficile”.

Supremazia quantistica vs vantaggio quantistico

Veniamo a Google. Cosa vuol dire supremazia quantistica“Di per sé, si tratta di un concetto molto semplice”, dice ancora Calarco. “Vuol dire riuscire a risolvere, con un computer quantistico, un calcolo che un computer tradizionale non riuscirebbe a risolvere, quantomeno in un tempo ragionevole”. Nella fattispecie, Sycamore è riuscita a dimostrare che una sequenza di numeri casuali è realmente casuale (un problema matematicamente molto complesso) in circa tre minuti e venti secondi; Summit, il supercomputer (tradizionale) più potente al mondo, ci impiegherebbe circa 10mila anni.

“Il problema risolto da Sycamore, in sé, è del tutto inutile, o meglio ha interesse puramente accademico. La sua importanza è legata al fatto che riuscire a risolverlo dimostra una volta per tutte che abbiamo conseguito la supremazia quantistica. È il coronamento di quello che pensavamo fosse solo un sogno, e che ora sappiamo in realtà essere fattibile”. Il prossimo passo, spiega ancora Calarco, sarà passare dalla supremazia quantistica al vantaggio quantistico, cioè all’effettiva progettazione di algoritmi da far svolgere ai computer quantistici del futuro. È come se in questo momento abbiamo mostrato che è possibile costruire una macchina velocissima, ma ci mancano ancora strade, distributori di benzina, infrastrutture. E soprattutto partenze e destinazioni. “È ancora decisamente troppo presto per immaginare tutte le applicazioni. Potrebbero essere davvero sterminate, e strabilianti. I prossimi passi sono anzitutto migliorare ulteriormente l’hardware, arrivando a controllare con precisione sistemi a 100 o più qubit, e poi lavorare allo sviluppo di algoritmi che permettano di arrivare al vantaggio quantistico”. Il futuro ci attende.





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