TEQ e la tecnologia quantistica che verrà

Sono anni, ormai, che si parla del computer quantistico e della crittografia . Non soltanto si parla ma tanti gruppi in tutto il mondo stanno esplorando con successo varie tecnologie per realizzare il computer quantistico che potrebbe, si spera, essere molto più veloce dei computer attuali (almeno per certe operazioni) e, dunque, risolvere dei problemi per i quali gli attuali computer impiegherebbero un numero di anni talmente alto da far sì che nemmeno i nostri pronipoti possano avere la risposta. La crittografia quantistica, in aggiunta, dovrebbe rendere la tramite Internet sicura, a prova di hacker.

Per realizzare questi “miracoli” le nuove tecnologie quantistiche sfruttano proprietà della meccanica quantistica, pilastro della fisica moderna, molto particolari: la sovrapposizione di stati e l’eltanglement. Entrambe queste proprietà non hanno un equivalente nella fisica classica, essendo proprietà squisitamente quantistiche.

Vediamo un po’ di cosa si tratta: la sovrapposizione di stati vuol dire che un sistema quantistico si trova (simultaneamente) in tutti gli stati permessi dalla teoria, almeno fino a quando non viene misurato, oppure fino a quando non viene disturbato da un fattore esterno. L’entanglement, un aggrovigliamento quantistico, accade quando delle particelle o sistemi quantistici nascono insieme oppure interagiscono. In questa situazione le particelle condividono delle proprietà (quantistiche) a qualunque distanza si trovino.

Usando proprio la sovrapposizione di stati i computer quantistici sostituiscono il bit degli attuali computer con il qubit, diventando molto più veloci (mentre il bit può essere 0 oppure 1 il qubit è sia 0 che 1).

La sovrapposizione quantistica è però una proprietà molto fragile. Da una parte, qualunque interazione del sistema quantistico con l’ambiente distrugge la sovrapposizione, cioè fa collassare il sistema in un unico stato. Dall’altra, non è detto che la meccanica quantistica, sovrapposizione inclusa, sia valida per sistemi con dimensioni arbitrariamente grandi. Sappiamo per certo che per particelle, atomi, molecole fino ad una certa dimensione (migliaia di atomi), la meccanica quantistica è la teoria che ne descrive  il comportamento con altissima precisione.

Cosa accade però per sistemi con dimensioni più grandi, sistemi macroscopici?

Possiamo realizzare – nelle condizioni prescritte dalla meccanica quantistica – una sovrapposizione di stati? La risposta non è semplice e la comunità scientifica è divisa. C’è chi dice che la meccanica quantistica sia una teoria valida per qualunque dimensione degli oggetti, ma esistono anche teorici che vedono nell’attuale meccanica quantistica un caso limite di una teoria ancora da scoprire.

In questo contesto verificare nei fatti, cioè dal punto di vista sperimentale, la validità della meccanica quantistica per oggetti macroscopici è una priorità sia per capire la Natura e l’Universo, che per lo sviluppo delle nuove tecnologie quantistiche.

Fin dove ci possiamo spingere?

Un team di ricercatori a cui partecipa un gruppo dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) ha dato vita a un consorzio per affrontare questa domanda fondamentale da un punto di vista innovativo, beneficiando di un finanziamento di 4.4 milioni di euro assegnato dalla Commissione Europea. Il progetto di collaborazione “TEQ” (Testing the large-scale limit of quantum mechanics) mette insieme otto gruppi di ricerca europei e la società MSquared per studiare gli effetti quantistici su larga scala con il supporto del programma quadro di ricerca EC Horizon2020.

Si tratta di una delle sole 26 proposte ad aver ottenuto un finanziamento sui 374 progetti candidatisi alla più recente call per Future and Emerging Technologies projects. Il team farà levitare una piccola sfera all’interno di un ambiente ben controllato, a bassa temperatura e basse vibrazioni, per realizzare un test indiretto del principio di sovrapposizione, analizzando accuratamente il rumore che influenza il moto del centro di massa della particella intrappolata. Una volta misurato, il rumore sarà confrontato con le predizioni teoriche derivanti da diversi modelli – alcuni dei quali assumono una violazione della meccanica quantistica standard (anche del principio di sovrapposizione).

L’ambizione del progetto è quella di stabilire i limiti ultimi della validità della teoria quantistica, nel caso esistano. Questa è la domanda che ci stiamo ponendo ed  è stata e continua ad essere oggetto di intense discussioni, nonché di test sperimentali nella comunità dei fisici. Nell’ambito di TEQ disponiamo degli strumenti sperimentali giusti per ottenere una risposta. Possiamo davvero compiere un grande passo in avanti, tanto nella scienza fondamentale che nelle tecnologie quantistiche per il futuro. Aver vinto con TEQ una competizione così agguerrita rafforza l’importanza delle indagini sulla teoria quantistica anche nell’ambito di sviluppi delle future, affascinanti, tecnologie quantistiche.

 

 

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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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