Nobel per la Fisica, ecco cos'è la meccanica quantistica

Per quale motive è stato assegnato il Nobel della Fisica?

Martedì il Premio è andato al francese Alain Aspect, all’americano John Clauser e all’austriaco Anton Zeilinger per i loro esperimenti sulla meccanica quantistica. I tre vincitori si sono concentrati su un aspetto in particolare, della meccanica quantistica: la possibilità di usare e controllare le particelle che sono in uno stato intrecciato, o entangled come si dice in gergo tecnico.

L’entanglement è solo uno degli aspetti previsti dalla meccanica quantistica, ma fra i più dibattuti. Einstein lo riteneva inconcepibile, lo definiva “la misteriosa azione a distanza”. Rafforzò il suo scetticismo con la frase “Dio non gioca a dadi”. Erwin Schrödinger, un altro dei fondatori della meccanica quantistica, sosteneva invece che l’entanglement fosse l’aspetto più importante della di questa teoria.

Cosa si intende per meccanica quantistica?

Una teoria della fisica che si è andata formando a partire dal Novecento. Descrive il comportamento della natura su scala molto piccola: a livello di particelle o singoli atomi. Dal punto di vista matematico, le sue leggi non danno problemi. La descrizione del mondo che ne esce però è molto bizzarra e controintuitiva. Il fisico Richard Feynman, brillante comunicatore, disse: “Posso tranquillamente affermare che nessuno comprende la meccanica quantistica”.

Una delle sue implicazioni è per esempio il gatto di Schrödinger, che è contemporaneamente vivo o morto, almeno fino a quando un osservatore non va a controllare il suo stato. Due particelle separate, poi, possono continuare ad agire come un sistema unico anche se sono molto distanti. Se cambia la caratteristica di una di esse, cambia immediatamente anche l'altra, anche se la distanza che le separa è enorme. Come è possibile - si chiedeva Einstein - che l'informazione relativa a questo cambiamento possa viaggiare anche più veloce della luce?

Il fenomeno dell'entanglement può essere sfruttato ad esempio all’interno di un computer quantistico, composto da particelle capaci di assumere contemporaneamente tutti gli stati possibili (sovrapposizione di più stati). Per il momento gli scienziati riescono a controllare solo un centinaio di queste particelle, o poco più. “Ma la potenza di calcolo che si può raggiungere è enorme” spiega Tommaso Calarco, direttore dell'Istituto di controllo quantistico al centro di ricerche di Jülich, in Germania, e presidente del Quantum Community Network della Comunità Europea.

“Se chiediamo a un calcolatore di portarci fuori da un labirinto, un computer classico esplorerà una soluzione alla volta. Il computer quantistico adotterà invece tutte le opzioni contemporaneamente, trovando l’uscita in un tempo rapidissimo”. Una delle applicazioni della meccanica quantistica è proprio l’informatica quantistica.

Abbiamo già dei computer quantistici?

Abbiamo dei prototipi. Sono apparecchi ingombranti, delicati, che soffrono per ogni rumore o vibrazione esterna e funzionano a temperature vicine allo zero assoluto (meno 270 gradi).

“Facendo un paragone con la storia dell’aviazione – suggerisce Simone Montangero, professore di fisica teorica all’università di Padova e ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, che già usa questi calcolatori – direi che abbiamo superato l’epoca dei fratelli Wright. Siamo al Barone Rosso. Ci siamo staccati da terra, ma un aereo simile va ancora lasciato in mano agli esperti”.

La potenza dei computer quantistici si misura in qubit (bit quantistici). I più avanzati superano i 100 qubit, ma devono ancora crescere per ottenere la cosiddetta “supremazia quantistica”, cioè la capacità di superare i computer tradizionali. La contesa al momento è fra la Cina e aziende come Google e Ibm.

Quando i computer quantistici avranno raggiunto lo sviluppo che gli aeroplani hanno oggi, “potranno risolvere in pochi secondi o minuti problemi che ai computer attuali richiedono secoli o millenni” dice Augusto Smerzi, dirigente di ricerca all’Istituto Nazionale di Ottica del Cnr ad Arcetri (Firenze). “Saranno in grado di decifrare le comunicazioni criptate elaborate dai computer attuali, rendendo di fatto hackerabile qualunque tipo di informazione segreta di oggi”.

Esistono computer quantistici segreti?

“Riteniamo di no” rassicura Smerzi. Ma per evitare che l’informatica quantistica diventi appannaggio di uno stato per ottenere la supremazia sugli altri, ieri il Nobel Aspect ha lanciato un appello: “E' importante che i ricercatori non perdano il senso della loro appartenenza a una comunità internazionale, in un momento in cui il mondo non va troppo bene e il nazionalismo si impone in molti paesi".

Al momento, fra i privati, solo le grandissime aziende possono permettersi l’accesso a un computer quantistico o a una rete di comunicazione quantistica a prova di hacker. In Italia allo sviluppo dei computer quantistici lavora il Centro nazionale su HPC, Big Data e Quantum Computing del tecnopolo di Bologna, appena finanziato dal Pnrr, alle comunicazioni sicure lavora ad esempio Leonardo, in Francia Thales. “Ci sono poi tantissime piccole startup che nascono come funghi” racconta Smerzi. “Reclutano i ragazzi freschi di titolo di studio con stipendi a tre cifre, sottraendoli all’accademia e alla ricerca. E’ difficile ormai trovare giovani ricercatori o aspiranti professori universitari”.

A quale aspetto della meccanica quantistica si sono dedicati i tre scienziati del Nobel con i loro esperimenti?

All’aspetto dell’entanglement, o intreccio fra particelle. Quando due particelle sono intrecciate, misurando le proprietà dell’una si possono conoscere anche le proprietà dell’altra, senza bisogno di misurarle di nuovo. E’ come se fossero perfettamente gemelle, indipendentemente dalla distanza che le separa. La loro identità può anche essere trasferita a una terza particella: è l’esperimento di “teletrasporto quantistico” effettuato da Zeilinger nel 1997.

A cosa serve il fenomeno dell'entanglement?

Una coppia di fotoni intrecciati può essere spedita ad esempio in direzioni opposte lungo una fibra ottica. L’entanglement è un equilibrio delicato e potrebbe perdersi se le condizioni non sono ottimali. Per questo oggi la comunicazione quantistica avviene solo a distanze limitate e con grossi sforzi. Ma quando i problemi tecnici saranno risolti, i destinatari delle due particelle potranno avere l’assoluta certezza che l’informazione contenuta in quelle particelle non è stata violata da nessuno.

Se un hacker o una spia si fossero infiltrati nel sistema, l’entanglement sarebbe andato perso. “Se da un lato i computer quantistici mettono a rischio le comunicazioni criptate attuali, la meccanica quantistica offre una nuova possibilità di inviare comunicazioni sicure” spiega Montangero.

“L’Italia - aggiunge Francesco Scazza, professore di fisica all’università di Trieste - ha già una linea di fibre ottiche dedicate alle comunicazioni quantistiche sicure, che attraversa la penisola da Nord a Sud”. Si chiama Italian Quantum Backbone ed è gestita dall’Inrim, Istituto Italiano di Ricerca Metrologica. Proviene dalla Francia, viaggia a est raggiungendo l’Adriatico, poi punta a sud fino a Matera.