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Fisica

Che cos’è la meccanica quantistica

La meccanica quantistica, o teoria dei quanti, è una teoria che i suoi stessi creatori non capivano pienamente, ma che si è rivelata l’unica capace di spiegare il comportamento della materia nel mondo microscopico.

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Nel cuore della materia c’è un mondo immenso, composto da miliardi e miliardi di particelle, che sfugge ai nostri sensi e alla nostra intuizione. Un mondo in cui non valgono le leggi fisiche usuali, ma quelle più complicate e “misteriose” della meccanica quantistica, una teoria così paradossale da stupire gli stessi scienziati che l’hanno inventata. «Nessuno la comprende davvero» ha detto nel 1965 Richard Feynman, uno dei fisici più brillanti della sua generazione.

AFFASCINANTE. Eppure questa teoria funziona, perché descrive il mondo degli atomi e delle molecole con precisione impeccabile. E ha moltissime applicazioni, dai laser alla risonanza magnetica. Anzi, si sospetta che siano alcuni fenomeni ad essa collegati, come l’effetto tunnel, a rendere possibile la fotosintesi e quindi la vita.

Non solo, la meccanica quantistica, per le sue caratteristiche quasi “magiche”, da sempre affascina filosofi e scienziati. E oggi sta entrando nella nostra cultura “quotidiana”, ispirando anche libri, film e opere d’arte. Ma che cos’è davvero questa teoria? E perché è così importante? Andiamo con ordine.

PARTICELLE MIRACOLO. Onde che si comportano come particelle, particelle che oltrepassano le barriere come fantasmi o che comunicano tra loro in modo “telepatico”… È questo lo strano mondo che gli scienziati si sono trovati di fronte quando hanno scoperto la meccanica quantistica.

Una delle caratteristiche principali di questa teoria è la quantizzazione. Cioè il fatto che, nel mondo microscopico, le quantità fisiche come l’energia non possono essere scambiate in modo “continuo”, come un flusso d’acqua del rubinetto che si può dosare a piacere, ma attraverso “pacchetti” detti “quanti”… come acqua contenuta in bicchieri o bottiglie dal volume prefissato. In virtù di questa proprietà, la luce è composta da corpuscoli di energia detti “fotoni”; e anche gli atomi possono assorbire questa energia soltanto a pacchetti: un atomo, per esempio, può assorbire o emettere 1 o 2 o 3 o più fotoni, ma non 2,7 fotoni o mezzo fotone.

È quello che avviene nell’effetto fotoelettrico, in base al quale un metallo colpito dal giusto tipo di luce produce elettricità: questo fenomeno, scoperto alla fine dell’800 e spiegato nel 1905 da Einstein, è alla base del funzionamento dei moderni pannelli fotovoltaici.

ONDA O PARTICELLA? La seconda “stranezza” della meccanica quantistica è il fatto che – come Giano Bifronte – tutte le particelle hanno una doppia natura: «In alcuni esperimenti si comportano come corpuscoli, in altri come onde» spiega Giancarlo Ghirardi, professore emerito di fisica all’Università di Trieste. «Un esperimento che mostra la natura ondulatoria degli elettroni è quello della doppia fenditura: si pone uno schermo sensibile di fronte a una doppia fenditura e si osserva che gli elettroni impressionano la lastra formando frange di interferenza, proprio come fa la luce (vedi disegno qui sotto). Altri esperimenti dimostrano invece che gli elettroni sono particelle».

fisica quantistica

Onda o particella? La luce passa da una fenditura, poi ne incontra altre due. Le onde interferiscono tra loro, creando chiazze alternate di luce e buio; se fossero particelle, ci sarebbe luce solo in A e in B. Con un fascio di elettroni accade la stessa identica cosa. Eppure, con altri esperimenti, si dimostra che gli elettroni sono particelle. Ecco perché si parla di “dualismo onda-particella”.

IMPREVEDIBILE. La fisica classica è “prevedibile”: permette di calcolare con precisione la traiettoria di un proiettile o di un pianeta. Nella meccanica quantistica, invece, quanto più precisamente si conosce la posizione di una particella, tanto più incerta diventa la sua velocità (e viceversa).

Lo dice il principio di indeterminazione, formulato nel 1927 dal fisico tedesco Werner Heisenberg. Quindi, se vogliamo descrivere il comportamento di un elettrone in un atomo, possiamo solo affermare che è localizzato in una nube intorno al nucleo, e la meccanica quantistica ci indica la probabilità che, effettuando una misura, l’elettrone si trovi in un certo punto. Prima della misura, lo stato dell’elettrone è descritto dall’insieme di tutti i possibili risultati: si parla quindi di sovrapposizione degli stati quantistici. Nel momento della misura, l’elettrone “collassa” in un singolo stato. Questo principio ha un risvolto concettuale importante: in un certo senso, con i loro strumenti di misura, gli scienziati intervengono nella creazione della realtà che stanno studiando.

COME FANTASMI. Un altro fenomeno quantistico bizzarro è l’effetto tunnel, cioè il fatto che le particelle possano superare una barriera come un fantasma passa attraverso un muro. «È così che si spiega il decadimento delle sostanze radioattive» dice Ghirardi. «La radiazione emessa da questi materiali, infatti, è costituita da particelle che superano una barriera energetica all’interno dei nuclei».

fisica quantistica

Un esperimento di propagazione della luce a velocità 4,7 volte superiore rispetto a quella nel vuoto (ma senza violare la relatività di Einsein), un fenomeno reso possibile dalla propagazione attraverso una barriera energetica (effetto tunnel).

INTRECCI LUMINOSI. Tutto ciò è già abbastanza strano. Ma il fenomeno più curioso è l’entanglement (“intreccio”). Immaginiamo di prendere due fotoni in una “sovrapposizione di stati” – possiamo pensarli come monete che girano all’infinito, mostrando entrambe le facce (testa o croce) – e di sottoporli all’entanglement, per poi portarli ai lati opposti dell’universo.

Secondo la meccanica quantistica, se effettuiamo una misura su uno dei due, e otteniamo per esempio testa, anche l’altra moneta, istantaneamente, cessa di trovarsi in uno stato indeterminato: se la misuriamo (dopo un secondo o dopo un secolo) siamo sicuri che il risultato sarà testa. Le due particelle sono come in… contatto telepatico. Assurdo? No, entanglement!

COME STAR TREKQuesta caratteristica sorprendente si può usare per realizzare il teletrasporto quantistico (vedi gallery qui sotto). «Supponiamo di voler trasferire da un punto A a un punto B un fotone identificato dal suo stato di polarizzazione» dice Ghirardi. «Per farlo bisogna disporre, oltre al fotone da teletrasportare, di due fotoni entangled, uno in A e l’altro in B. Poi si fa interagire il fotone da teletrasportare con il primo fotone entangled (quello in A) e si comunica all’osservatore in B l’esito dell’operazione, e così facendo gli si indica come deve manipolare il secondo fotone entangled per ottenere una copia identica del fotone di partenza».

In pratica, le informazioni del fotone di partenza sono trasferite in B grazie all’intermediazione dei fotoni intrecciati: in realtà si tratta di un trasferimento di informazioni, più che di un trasferimento di materia come quello di Star Trek.

 

Galleria

 

È per questo che il teletrasporto interessa soprattutto agli scienziati che studiano i computer quantistici del futuro. Computer, cioè, in cui sono elaborati qubit  invece dei “bit” (sequenze di “0” e “1”) dell’informatica tradizionale: il vantaggio è che i qubit consentono di svolgere in breve tempo, “in parallelo”, operazioni che ai computer tradizionali richiederebbero anni. Così, con un numero “n” di qubit, la quantità di strade di calcolo che possono essere intraprese contemporaneamente è pari a 2N, cioè 2x2x2… x2, n volte: con meno di 300 qubit si supererebbe il numero di particelle dell’intero universo. Finora, però, si riescono a manipolare solo pochi qubit, e con grande difficoltà: il “magico” mondo dei computer quantistici è tutto da esplorare.

Più di recente, 2 fisici dell’Università del Queensland (Australia) hanno ideato perfino il teletrasporto “temporale”, applicando l’entanglement al tempo anziché allo spazio, sempre con l’obiettivo di rendere possibili calcoli complessi. Ma, se funzionasse, sarebbe il primo vero esempio di macchina del tempo, sebbene un po’ diversa da come la fantascienza l’ha sempre immaginata.

fisica quantistica
29 persone (una sola donna, Marie Curie), 17 erano o sarebbero diventati premi Nobel, per la fisica o la chimica. Sono i partecipanti alla V Conferenza Solvay, dedicata ufficialmente a elettroni e protoni, ma che in realtà ospitò il primo grande dibattito sulla fisica quantistica, mettendo a confronto i sostenitori dell’interpretazione della meccanica quantistica secondo la scuola di Copenhagen e un nutrito gruppo di scettici che non credeva nella sua natura intrinsecamente probabilistica. I primi avevano come leader indiscusso Bohr e i secondi erano rappresentati da Einstein. I due scienziati si contrapposero a colpi di esperimenti mentali (Gedankenexperimente). Sono entrate nella leggenda le animate discussioni che iniziavano già durante la colazione del mattino, quando Einstein proponeva un esperimento mentale all’attenzione di Bohr, il quale poi passava la giornata a trovare una spiegazione che rientrasse nei canoni della meccanica quantistica.

I QUANTI NELLA FILOSOFIA E NELLA CULTURA. La meccanica quantistica però non è soltanto strana e complicata. Ci costringe anche a rivedere gli schemi mentali ai quali siamo abituati, mettendo alla prova le nostre convinzioni e offrendo nuove risposte alle domande che i filosofi si pongono da millenni. Ecco alcuni esempi.

IL DESTINO È PREVEDIBILE?

Come dimenticare, per esempio, le punizioni di Maradona? Le traiettorie impresse al pallone erano un mirabile incontro di sport e fisica. Tuttavia, se un ipotetico “Pibe de oro” quantistico si trovasse tra i piedi un elettrone, non riuscirebbe a calciarlo con la stessa precisione. Quel “pallone”, infatti, non seguirebbe la logica deterministica di tiro-gol.

Grazie al principio della sovrapposizione di stati, infatti, potrebbe essere in qualunque punto del campo, diffondendosi come una nebbia in più luoghi contemporaneamente. E soltanto dopo essere stato osservato “collasserebbe” finalmente in un punto preciso, magari proprio in rete… il destino, insomma, non è prevedibile.

Tutto il contrario di quello che sostenevano nel V sec. a. C. i greci Leucippo e Democrito, secondo i quali il mondo era composto da atomi che si muovono nel vuoto in modo prevedibile. Anche se poi, un secolo dopo, un altro greco, Epicuro, ipotizzò che tra gli atomi ci fossero urti casuali con conseguenze imprevedibili. La fisica classica, nell’800, sembrava dar ragione ai primi due. La meccanica quantistica, invece, seppure su basi completamente diverse, è più vicina al pensiero di Epicuro.

L’UNIVERSO ESISTE INDIPENDENTEMENTE DA NOI?

Esse est percipi: le cose, per esistere, hanno bisogno di essere percepite. Lo sosteneva nel ’700 il filosofo britannico George Berkeley, secondo cui una palla o un albero non esistono in sé, indipendentemente da noi: quelli che percepiamo sono gli stimoli sensoriali che ci arrivano direttamente da Dio. E il filosofo tedesco Immanuel Kant, sempre nel ’700, aveva ribadito che non si può conoscere il mondo “così come è in sé” (da lui definito noumeno), ma solo “ciò che appare”. Qualcosa di simile, due secoli dopo, dice la meccanica quantistica: per determinare la posizione di una particella, per esempio bisogna illuminarla… e allora la particella, colpita dalla luce, schizza via. Sappiamo dov’è, ma non dove sarà dopo un istante.

Per osservare la realtà, insomma, bisogna “disturbarla”: «Secondo l’interpretazione di Copenhagen » spiega Giulio Giorello, docente di filosofia della scienza all’Università Statale di Milano «gli eventi quantistici dipendono dalla presenza dell’apparato di osservazione che li deve misurare».

Einstein non riusciva a digerire questo aspetto della teo­ria: era infatti convinto che la real­tà fosse ben determinata e indipendente da chi l’osserva. Ma oggi gli esperti sono a favore dell’interpretazione di Copenhagen.

fisica quantistica

 

Niels Bohr e Albert Einstein, due padri della teoria. Fu in una delle loro discussioni sul significato fisico della meccanica quantistica che Einstein pronunciò la nota frase: “Dio non gioca a dadi”. Bohr confutò brillantemente tutte le critiche di Einstein, che però non si convinse mai fino in fondo della natura probabilistica del mondo quantistico. | WIKIMEDIA COMMONS

E SE L’EFFETTO PRECEDESSE LA CAUSA?

Uno dei pilastri della scienza classica è la regola secondo cui, nel mondo in cui viviamo, a ogni causa segue necessariamente un effetto: se tiro un sasso verso una finestra la rompo, se tocco il fuoco mi brucio. Nel ’700, il filosofo scozzese David Hume mise in discussione questo principio: anche se tutti i giorni due avvenimenti si susseguono, non dobbiamo considerare questo legame una conseguenza logica, perché potrebbe trattarsi di una nostra associazione di idee determinata dall’abitudine.

La scienza tradizionale non ha mai messo in dubbio il principio di causa ed effetto. La meccanica quantistica sembrerebbe violarlo, ma non è così: la teoria permette di calcolare con certezza alcuni aspetti dell’evoluzione delle particelle, ma non tutto (per il resto bisogna accontentarsi di calcolare la probabilità che un certo fenomeno accada). Ma in nessun caso la teoria ammette situazioni in cui, per esempio, l’effetto preceda la causa o ne sia scollegato.

LA NOSTRA ESSENZA SI ESTENDE A TUTTO L’UNIVERSO?

Quando navighiamo in Internet, lo spazio sembra essere risucchiato da un click del mouse, all’interno di collegamenti ipertestuali fra sistemi che distano migliaia di km l’uno dall’altro. Nel mondo subatomico, in certe condizioni, può succedere la stessa cosa: ci sono particelle “gemelle”, legate tra loro dalla proprietà dell’entanglement, che pur trovandosi in punti opposti dell’universo riuscirebbero a comunicare istantaneamente fra loro, agendo come un tutt’uno.

Questo fenomeno, ormai dimostrato, demolisce uno dei pilastri della fisica tradizionale: il principio di località . Tanto da far sorgere un dubbio: viviamo forse in un tutto indivisibile, dinamico, le cui parti sono interconnesse come sosteneva nel ’600 il filosofo olandese Baruch Spinoza?

Secondo la sua visione “panteistica”, esiste una sostanza unica e infinita, un ordine geometrico in cui Dio e natura coincidono (Deus sive natura, “Dio, ovvero la natura”) come causa interna al tutto.

LA NATURA RIFIUTA IL VUOTO?

Natura abhorret a vacuo (“la natura rifiuta il vuoto”): la frase risale al Medioevo, ma il concetto è antico: già nel IV sec. a. C. Il greco Aristotele e i suoi discepoli negavano l’esistenza di “un luogo in cui non c’è nulla”, dove “non è possibile che neppure un solo oggetto si muova”.

Il tabù, in Occidente, è rimasto per millenni, assimilato persino dalla Chiesa, che non tollerava l’esistenza di un luogo senza Dio. Poi la fisica classica aveva dimostrato che il vuoto si poteva creare, per esempio eliminando l’aria da un contenitore. Sembrava possibile anche creare il “vuoto perfetto”, cioè una regione di spazio del tutto priva di atomi e di luce.

Ma la meccanica quantistica ha stabilito che questo non è possibile: anche il “vuoto perfetto” conterrebbe infinite fluttuazioni energetiche in grado di generare particelle virtuali che nascono dal nulla e spariscono continuamente in tempi brevissimi. Aristotele, insomma, in un certo senso aveva ragione.

LA REALTÀ È MATERIA O INFORMAZIONE?

Oggi assistiamo al trionfo dell’informatica: testi, immagini, suoni e filmati viaggiano in Internet da una parte del mondo all’altra sotto forma di sequenze di 0 e 1: i bit. Questi mattoncini digitali, parte essenziale della nostra vita, ci portano a una riflessione: la realtà è formata da materia o da bit? Forse, come racconta il film di fantascienza Matrix, viviamo in un grande cervello elettronico che simula il mondo. Con la differenza che i bit della meccanica quantistica sono diversi da quelli “classici”: si chiamano qubit e consentono combinazioni (e operazioni logiche) di una complessità senza paragoni nel mondo dell’informatica tradizionale

ESISTE UNA TEORIA CAPACE DI SPIEGARE OGNI COSA?

I fisici cercano una Teoria del tutto, in grado di unificare ogni cosa: uomo e stelle, piccolo e grande… ce la faranno? Non è detto, ma l’ambizione è antica. A suo modo, ci aveva già provato nel VI sec. a. C. il filosofo greco Pitagora, affidando ai numeri, costituenti ultimi della natura, il compito di tenere unito l’universo.

Oggi, invece, si punta soprattutto a un’evoluzione della Teoria delle stringhe detta “Teoria M”. Più che un’unica teoria, al momento è un sistema di 5 teorie distinte che si applicano in contesti diversi.

Potremmo paragonarla a una grande mappa del mondo: per rappresentare fedelmente l’intera superficie terrestre occorrono tante piccole carte geografiche che, sovrapponendosi parzialmente tra loro, mostrano aspetti diversi dello stesso paesaggio.





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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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Fisica

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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