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QUBIT, sinfonia quantistica nei computer di domani

Qubit può sembrare una nuova corrente artistica, magari parente lontana del cubismo e, per certi versi, lo è. Se nel cubismo la realtà viene immortalata su una superficie bidimensionale in modo tale da raccontare una storia attrarverso un’ immagine quadri-dimensionale, dove si sovrappongono aspetti complementari dell’oggetto, oppure della persona rappresentata, il qubit rappresenta, a sua volta, una sovrapposizione di stati, di informazioni, che permette ai computer quantistici di effettuare più calcoli simultaneamente, rendendoli più potenti, più veloci, dei computer attuali.

Come mai allora non abbiamo a portata di mano questi computer quantistici?  Dov’è il telefono quantistico? E dove sono meravigliosi giochi quantistici nei quale la realtà virtuale potrebbe far impallidire la realtà vera?

Viaggio nell’affascinante mondo quantistico

Iniziamo dunque questo viaggio che ci porterà ai computer quantistici dalla meccanica quantistica, la teoria che descrive il mondo microscopico, scoperta circa 100 anni fa, e che è uno dei pilastri della fisica moderna insieme alla teoria della relatività. La meccanica quantistica è al “lavoro” in tutti i nostri dispositivi elettronici, stando alla base dello sviluppo dei transistori.

Partiamo però dall’inizio del 1900, quando si era capito che l’atomo è composto da un nucleo centrale, piccolo e molto denso, circondato da elettroni: quest’immagine non quadrava con le leggi della meccanica di allora, la cosiddetta meccanica classica. L’atomo era un mistero – non poteva esistere, in quanto gli elettroni, che hanno carica elettrica negativa  e che orbitano vorticosamente intorno a un nucleo centrale con carica positiva, dovevano perdere la loro energia attraverso l’emissione di onde elettromagnetiche. Così prima o poi avrebbero finito per perderla tutta e sarebbero caduti nel nucleo, secondo i calcoli, in tempi estremamente brevi!

Ecco dunque che la stabilità degli atomi era un grande mistero. Mistero risolto da Niels Bohr che, partendo proprio da queste considerazioni, elaborò le basi della meccanica quantistica, teoria che ci dice che gli elettroni all’interno di un atomo si trovano in orbitali stabili, dove non emettono energia. Assieme alla spiegazione di altri fenomeni, quali l’effetto fotoelettrico da parte di Einstein e la radiazione del corpo nero da parte di Planck, la spiegazione della stabilità degli atomi proposta da Bohr diede l’avvio della meccanica quantistica, una teoria che tutt’oggi genera dibattiti e discussioni, ma che sta anche alla base di nuove tecnologie, quali appunto il .

C’è da considerare poi il contributo di Erwin Schroedinger, un fisico di origine austriaca diventato famoso per aver messo a punto un’equazione che porta il suo nome negli anni ‘20 del secolo scorso, scoperta per la quale ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1933. Quest’equazione rappresenta l’equazione fondamentale della meccanica quantistica e descrive i comportamenti quantistici dei sistemi microscopici attraverso la cosiddetta “funzione d’onda”. Risolvendo l’equazione di Schroedinger, calcolo non sempre facile, si possono prevedere i comportamenti dei sistemi quantistici, attraverso il calcolo della probabilità dei vari possibili esiti di un esperimento. La funzione d’onda è una funzione complessa delle coordinate spazio-temporali che rappresenta lo stato di una sistema fisico e tramite la quale si calcola il comportamento del sistema fisico. L’equazione di Schroedinger non ci permette di sapere con precisione quale sarà l’esito di un esperimento. Nella meccanica classica, conoscendo lo stato iniziale,si può prevedere con certezza cosa accadrà. Nella meccanica quantistica invece, a partire dallo stesso stato iniziale, si possono avere esiti diversi e noi possiamo soltanto calcolare tramite la funzione d’onda le probabilità di questi vari esiti. Non c’è modo di sapere con precisione quale sarà l’esito.

La meccanica quantistica è molto diversa da quello che accade nella vita di tutti i giorni, dove abbiamo a che fare con oggetti macroscopici e non con atomi e particelle!

Procediamo con un esempio, quello del decadimento radioattivo dei nuclei. La meccanica quantistica ci permette di dire che in un certo periodo di tempo ci sarà una certa probabilità di decadimento della sorgente radioattiva, ma non c’è modo di avere la certezza che un certo nucleo decadrà oppure no. Se ci limitiamo a un nucleo soltanto possiamo per esempio dire che ci sarà un 50% di probabilità che decada e un 50% che rimarrà integro in una periodo di tempo definito. E’ un processo intrinsecamente casuale, poiché non c’è nessun motivo, nessuna causa fisica, per cui un nucleo decada in un certo momento oppure in un altro. Ne risulta che per un sistema microscopico la funzione d’onda totale è una sovrapposizione, una somma, di tutte le funzioni d’onda possibili, cioè di tutte quelle funzioni d’onda che descrivono i possibili comportamenti del sistema studiato.

Il nostro atomo radioattivo, ad esempio, è rappresentato dalla somma della funzione d’onda che lo descrive già decaduto più la funzione d’onda che lo descrive non decaduto. Ma, quando facciamo una misura di un sistema quantistico non vediamo stati sovrapposti! Nessuno è stato visto andare simultaneamente su più strade! Misuriamo un solo comportamento, uno di quelli che vengono descritti dall’equazione di Schroedinger.

Nel nostro esempio se misuriamo lo stato dell’atomo lo vediamo o decaduto o non decaduto, visto che uno stato esclude l’altro. Perciò dopo la misura la funzione d’onda dell’atomo sarà cambiata, visto che non sarà più la somma di due funzioni d’onda, ma soltanto una delle due. Questa è l’essenza del “problema della misura”: sembra quindi che il fatto stesso di osservare l’atomo ne cambi la funzione d’onda.

La meccanica quantistica risolve questa situazione attraverso un postulato: il cosiddetto postulato del “collasso della funzione d’onda” che indica proprio il fatto che la funzione d’onda nell’istante della misurazione “cade immediatamente” in uno solo degli stati possibili. Si potrebbe pensare che tutto questo è un modo complicato di dire che finché non guardi l’atomo non si può sapere se è decaduto o no, mentre quando lo guardi sai in che stato è.

Anche se metto un dado in una scatola e la agito non posso sapere che numero è finito sulla faccia superiore, ma quando apro la scatola lo so, e allora qual è la differenza? C’è una differenza fondamentale: il dado nella scatola è in una posizione definita anche mentre non lo vediamo, per esempio con la faccia del 6 in alto, perché è un oggetto macroscopico. Un atomo invece non ha uno stato definito mentre non lo osservi, ma solamente dopo che hai fatto la misura!

L’atomo del nostro esempio perciò si trova in una “sovrapposizione” dei due stati decaduto e non decaduto finché non lo osservi! Diciamo che, se l’atomo fosse un dado, sarebbe in una sovrapposizione di tutte le sei posizioni possibili finché la scatola non viene aperta per guardarlo. Il collasso della funzione d’onda in seguito alla misura ha generato una serie infinita di discussioni e dibattiti, talvolta anche molto accesi, che prosegue tutt’oggi!  Anche il famoso “gatto di Schroedinger”, un gatto mezzo morto e mezzo vivo, e’ il risultato di questo dibattito che dà filo da torcere ai fisici ma anche ai filosofi.

Come mai allora non abbiamo ancora a portata di mano i computer quantistici? Perché non sono già acquistabili sul mercato?

Per far funzionare i computer quantistici dobbiamo mantenere la sovrapposizione di stati inalterata. Se il sistema quantistico interagisce con un altro sistema la funzione d’onda collassa e il qubit sparisce. Interviene quella che si chiama decoerenza e il nostro computer quantistico non funziona più. Mantenere il sistema quantistico isolato è però molto difficile in quanto anche l’interazione con una molecola d’aria potrebbe danneggiare il comportamento quantistico!

Malgrado le difficoltà vari gruppi in tutto il mondo stanno provando attraverso tecnologie diverse, come per esempio sistemi superconduttori oppure fotonici, a realizzare i computer quantistici ed esistono già primi prototipi che fanno ben sperare.

C’è però anche un altro problema: se per i sistemi microscopici siamo sicuri che la sovrapposizione di stati funziona, se non interviene la decoerenza, non è sicuro che la sovrapposizione si mantenga per stati macroscopici. Ci sono alcuni scienziati che dicono che la meccanica quantistica attuale, per quanto funzioni bene nei sistemi microscopici, potrebbe essere soltanto un limite di una teoria ancora da scoprire! Proprio per scoprirlo ho vinto un progetto di ricerca finanziato dalla Foundational Questions Institute (FQXi) Americano (“Events” as we see them: experimental test of the collapse models as a solution of the measurement-problem) e un altro finanziato dalla John Templeton Foundation (#58158). Se così fosse dovremmo stare attenti a costruire i computer quantistici con sistemi per i quali la sovrapposizione è valida e rimane così a lungo.

A cosa potrebbero servire i computer quantistici?

Dallo studio del cervello a studi di biologia e di sistemi complessi; da simulazioni di nuovi farmaci e di affascinanti realtà virtuali, all’analisi dei Big Data e anche allo studio dell’Universo e della meccanica quantistica stessa.

Stiamo dunque lavorando per suonare una sinfonia quantistica nei computer di domani. Immaginate qualcuno che suona con una mano alla volta, mettiamo la destra, una nota dopo l’altra (mai 2 note insieme). Questo è il bit! Immaginate adesso una vera sinfonia suonata con entrambe le mani, senza limitazioni, o addirittura da un’intera orchestra. Il qubit!

Per i giovani le tecnologia quantistiche, quali  il computer quantistico, ma anche tante altre, possono rappresentare il mestiere del futuro, un nuovo mercato del lavoro, sia per quelli che sviluppano queste tecnologie, a partire dalle basi, che per quelli che le usano in modo creativo.

Catalina Curceanu

Catalina Curceanu

Primo Ricercatore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e membro della Foundational Question Institute (FQXi), nata in Transilvania, si è laureata in fisica con la specializzazione in fisica delle particelle elementari e fisica nucleare. Ha svolto il dottorato di ricerca nell’ambito dell’esperimento OBELIX (CERN) nel campo della spettroscopia dei mesoni esotici. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che svolge esperimenti nell’ambito della fisica nucleare e della fisica fondamentale (fisica quantistica) sia in Italia che all’estero (Giappone) ed è a capo delle collaborazioni internazionali SIDDHARTA2 (esperimento sull’acceleratore DAFNE dei Laboratori Nazionali di Frascati) e VIP (esperimento ai Laboratori Nazionali di Gran Sasso). Coordina per l’INFN vari progetti europei e internazionali e ha ricevuto vari premi e riconoscimenti internazionali, tra i quali quelli delle FQXi, Australian Institute of Physics e John Templeton Foundation per i suoi studi in fisica quantistica. E’ autrice del libro “Dai buchi neri all’adroterapia. Un viaggio nella Fisica Moderna” (Springer – I Blu).

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