Premio Nobel per la Fisica 2022: un futuro quantistico

Il Premio Nobel 2022 per la Fisica è stato attribuito al francese Alain Aspect, all'americano John Clauser e all'austriaco Anton Zeilinger per aver condotto ciascuno "esperimenti rivoluzionari utilizzando stati quantistici entangled, in cui due particelle si comportano come una singola unità anche quando sono separate. I loro risultati hanno aperto la strada alla nuova tecnologia basata sull'informazione quantistica".

La genesi della ricerca che ha portato ai risultati premiati con il Nobel risale agli albori della fisica quantistica, ed è molto istruttiva perché dimostra come questioni che possono sembrare astratte e di interesse puramente accademico, hanno portato a una maggiore comprensione del mondo e a nuovi sviluppi tecnologici, che oggi riguardano tutti noi.

In quegli anni, Albert Einstein contestava la visione del mondo offerta dalla teoria dei quanti, ancora in fase di sviluppo, secondo la quale le proprietà dei sistemi fisici sono intrinsecamente indeterminate e assumono valori definiti solamente quando sono misurate. Al contrario, per Einstein le proprietà esistono indipendentemente dalla misura, e siccome la teoria non ne parla, è una teoria incompleta e va superata.

In particolare, nel 1935 Einstein, assieme ai colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen, pubblicò un breve articolo in cui sostiene di dimostrare l'incompletezza della teoria, utilizzando gli stati entangled menzionati ieri nella motivazione del Nobel, da allora chiamati stati Epr in omaggio ai tre autori dell'articolo.

Gli stati entangled sono particolari stati delle particelle quantistiche, che codificano perfette correlazioni anche se le particelle sono molto lontane l'una dall'altra: se per una particella emergono certe proprietà in seguito ad un esperimento, per l'altra particella emergono istantaneamente proprietà esattamente opposte. L'istantaneità delle correlazioni sembra in contraddizione con il principio di località insito nella teoria della Relatività Speciale, secondo la quale nulla può essere collegato simultaneamente a distanza.

Sono questioni molto profonde perché toccano i fondamenti concettuali della nostra comprensione del mondo, ma nessuno all'epoca ne capì l'importanza e il potenziale impatto, e l'argomento di Epr fu accantonato. Venne ripreso verso la metà degli anni '60 dall'irlandese John Bell, il quale ebbe l'enorme merito di capire il significato profondo degli stati entangled utilizzati da Einstein per le sue argomentazioni contro la teoria quantistica, e di tradurlo in precise equazioni matematiche, delle disuguaglianze che ora portano il suo nome, le quali hanno anche il grande merito di essere verificabili sperimentalmente.

Arriviamo così agli esperimenti di Clauser e Aspect degli anni '70 e '80 che per primi raccolsero la sfida lanciata da Bell e, superando affascinanti sfide tecnologiche, riuscirono a verificare le disuguaglianze di Bell utilizzando coppie di fotoni preparati in opportuni stati entangled, raggiungendo un livello di controllo dell'esperimento tale da confutare qualsiasi obiezione circa la sua interpretazione. Il risultato fu inequivocabile: le disuguaglianze sono violate, il che implica che la natura è non locale. È un risultato stupefacente, il cui significato profondo non è ancora stato compreso.

Nei decenni successivi, Zeilinger raggiunse un ulteriore livello di perfezionamento nella generazione e manipolazione degli stati entangled, dimostrando ad esempio il teletrasporto quantistico, che è un'altra manifestazione della non località quantistica.

Le ricerche dei tre fisici hanno dato un notevole impulso allo sviluppo della teoria quantistica dell'informazione, le cui ricadute tecnologiche includono i computer quantistici, in grado di velocizzare in maniera straordinaria il modo in cui elaboriamo i dati, e la crittografia quantistica, per proteggerli dagli attacchi informatici. Le applicazioni sono potenzialmente infinite: grazie a questi nuovi computer, ad esempio, sarà possibile elaborare farmaci e sistemi di intelligenza artificiale di gran lunga superiori a quelli attuali.

Non è il futuro: aziende e centri di ricerca li stanno già impiegando per studi teorici e progettazioni concrete. È in atto una rivoluzione tecnologica, la cui importanza è stata colta da molti governi con investimenti miliardari.

L'Italia da molti anni ha sviluppato competenze diffuse nel campo della fisica quantistica, che ora necessitano di un coordinamento e finanziamento adeguato affinché il nostro Paese possa essere competitivo a livello internazionale.

Angelo Bassi è professore di Fisica all'Università degli studi di Trieste