Autrice: Alessia Guarnaccia
Alla scala atomica e subatomica si è reso necessario un salto di paradigma per spiegare la realtà osservata. La meccanica quantistica è la teoria fisica che ha realizzato questo passaggio, aprendo la porta a scenari radicalmente nuovi, non governabili con le leggi della fisica classica.
Un aspetto fondamentale della meccanica quantistica (che spiega proprietà della realtà fisica controintuitive e inaspettate) è la descrizione della materia e della radiazione sia come fenomeni ondulatori, sia come entità particellari (dualismo onda-corpuscolo).
La modalità di manifestazione di questo dualismo è stata definita (Kopenhagener Geist –Interpretazione di Copenaghen– 1927) con concetti come il principio di complementarità (Niels Bohr) per cui, a livello atomico e subatomico, il “duplice aspetto di alcune rappresentazioni fisiche dei fenomeni non può essere osservato contemporaneamente durante lo stesso esperimento” e il principio di indeterminazione di Heisenberg (indeterminazione insita nella misura eimpossibilità di conoscere i dettagli di un sistema senza perturbarlo in maniera irreversibile).
Per il “principio di indeterminazione”, non è possibile “conoscere con esattezza e contemporaneamente, due variabili coniugate di un sistema”, “tanto più cerchiamo di conoscerne una, quanto più perdiamo informazioni sull’altra”. Ad esempio, con riferimento ad una particella, maggiore è l’accuratezza nel determinare la sua posizione, minore è la precisione con la quale si può accertarne la velocità e viceversa; quindi ”in nessun senso si può ritenere che essa possieda in un dato istante una posizione e una velocità”; per questo non ha senso parlare di traiettoria di un elettrone in un atomo, bensì occorre riferirsi a“spazi” in cui la probabilità di trovare l’elettrone è diversa da zero.
In questo scenario l’osservatore, chi fa la misura, “non è un semplice spettatore”. L’atto dell’osservazione (misurazione) “forza” il sistema ad assumere dei valori fra quelli possibili, per cui diventa parte integrante della realtà, senza di essa la “Natura” non si presenta in uno stato definito. A questa scala, il mondo appare come indistinto, nebuloso, prende corpo nella realtà solo quando lo si “osserva”, una conclusione che desta sconcerto e meraviglia («Dio non gioca a dadi con l’Universo», A.Einstein).
Questo “dualismo intrinseco” consente un’importante formulazione matematica (che permette di descrivere lo stato – stato quantico – di un sistema fisico) detta “funzione d’onda” (incognita della fondamentale “Equazione di Schrödinger”), funzione correlata con la probabilità di rinvenire una particella in un punto qualsiasi dello spazio (“quadrato della funzione d’onda definito come densita’ di probabilita’” Max Born – 1927).
La “funzione d’onda” consente di esprimere quel concetto basilare della meccanica quantistica detto Principio di sovrapposizione degli stati (“due o più stati quantistici possono essere sommati – “sovrapposti” – e il risultato sarà un altro stato quantistico valido; e al contrario, ogni stato quantistico può essere rappresentato come somma di due o più altri stati distinti”). Dunque “la funzione d’onda di un sistema quantistico può rappresentare una sovrapposizione di stati, a ciascuno dei quali compete una certa probabilità”. Quando si osserva (si misura), il risultato della misurazione “può essere solo uno di una serie di valori possibili, corrispondente a solo uno dei diversi stati sovrapposti”, la funzione d’onda “collassa”, il sistema precipita nello stato corrispondente (LINK).
“Se un sistema può trovarsi in due stati distinti, può trovarsi anche in una qualsiasi loro combinazione lineare; se però si esegue un’osservazione del sistema, questo viene indotto ad assumere uno stato determinato”. Solo compiendo una misura, si trasforma il probabile in concreto; una probabilità (non intesa in senso classico) dell’essere (Paradosso del gatto di Schrödinger); prima di ciò “rimane uno stato di mescolanza”, sospeso tra due o più stati differenti di realtà.
Una proprietà fondamentale di questo livello di realtà è rappresentata dal concetto di entanglement (“groviglio”, “intreccio”, “correlazione”), dimostrazione che la meccanica quantistica viola il “principio di realismo locale” (paradosso EPR). In base ad esso, “lo stato quantico di ogni costituente il sistema, dipende istantaneamente dallo stato degli altri costituenti. Tale legame…si mantiene anche quando le particelle sono a distanze molto grandi, e ha conseguenze sorprendenti e non intuitive, sperimentalmente verificate” (LINK).
Con riferimento a due particelle “entangled”, “il valore misurato per una particella, di una proprietà definita dell’insieme, influenza istantaneamente il corrispondente valore dell’altra, che risulterà tale da mantenere il valore globale iniziale. Ciò rimane vero anche nel caso che le due particelle si trovino distanziate, senza alcun limite spaziale”(LINK).
Le proprietà citate sono alla base di uno dei domini in cui la fisica quantistica trova enormi possibilità di applicazione: il cosiddetto Quantum computing che dunque si riferisce allo sviluppo di un computer quantistico.
A differenza della computazione classica, modellata sui bit (binary digit), unità di informazione che codifica due stati, aperto e chiuso (i cui valori sono 1 e 0) di un interruttore, la computazione quantistica utilizza come unità di informazione il qubit (quantum bit) che può “stare in due stati o in una loro sovrapposizione”.
Il principio di sovrapposizione della meccanica quantistica fornisce al computer quantistico un intrinseco parallelismo consentendogli di elaborare quantità straordinarie di dati, contemporaneamente (necessario anche lo sviluppo di specifici algoritmi basati sulla logica quantistica), a differenza di un computer classico che “risolve un problema in maniera sequenziale”. L’entanglement poi “rende possibile, in linea di principio, una potenza di calcolo straordinaria, non confrontabile con quella dei calcolatori classici” (“se due diversi sistemi quantistici entrano … in contatto tra loro, non possono più essere considerati come oggetti separati. Anche se in seguito si allontanano essi devono essere considerati come una sola entità.” – LINK).
Gli studi sull’entanglement sono alla base anche di applicazioni nell’ambito della crittografia quantistica (e del teletrasporto quantistico) con il fine di implementare, quanto prima, “protocolli di trasmissione quantistica dell’informazione” sicuri rispetto ai tentativi di intercettazione, soprattutto con la consapevolezza, ormai acquisita, che la potenza di calcolo dei computer quantistici sarà presto in grado di “rompere i codici di sicurezza attuali basati sull’impossibilità di fattorizzare un numero di molte cifre in tempi ragionevoli” (es crittografia RSA).
Il Quantum computing rappresenta quel salto capace di aggirare i limiti fisici della miniaturizzazione dei circuiti elettronici collegata alla crescita esponenziale della potenza di calcolo dei computer classici (Legge di Moore) e promette risultati straordinari in tutte quelle applicazioni che richiedono l’elaborazione di un numero enorme di configurazioni e scenari come la simulazione di nuove molecole, l’analisi di grandi basi di dati, la crittografia, la cybersecurity (chimica, scienza dei materiali, medicina, farmacologia, artificial intelligence / machine learning / deep learning, finanza, informatica).
Lo sviluppo del Quantum Computing vede protagoniste, in quella che è ormai una corsa, le più grandi potenze mondiali (Stati Uniti, Cina, Russia, Giappone). Anche l’Unione Europea ha deciso di costruire le basi per assumere ruoli da protagonista, avviando nel 2016 la FET Flagship in Quantum Technologies – “Quantum Flagship Initiative” (“il programma ha durata decennale e vede il coinvolgimento di tutti gli Stati Membri con un investimento complessivo di 1 miliardo di euro a partire dal 2018”).
Anche il settore privato vede importanti multinazionali impegnate in prima linea sulla ricerca applicativa (IBM e anche Google, Microsoft, Toshiba, Intel, Samsung, Amazon).
La meccanica quantistica, insieme alla Teoria della relatività, ha “portato alla nascita della fisica moderna”e, con la teoria quantistica dei campi, è alla base di discipline come “la fisica atomica, la fisica della materia condensata, la fisica nucleare e subnucleare, la fisica delle particelle, la chimica quantistica”.
Lo sviluppo della scienza di base quantistica ha permesso, in passato, la realizzazione dei transistor, del laser, del personal computer, dell’optoelettronica…
Oggi, con l’opportunità di utilizzare dei veri e propri “computer quantistici”, si stanno aprendo le porte di quella che in molti chiamano la “seconda rivoluzione quantistica”, che promette impatti ancora maggiori.
E’ straordinario riflettere su come queste “chiavi” progettuali, così rivoluzionarie, abbiano avuto origine dall’umana capacità di pensiero ed intuizione creativa di fronte alla realtà.
«Il compito non è tanto di vedere ciò che nessun altro ha ancora visto; ma pensare ciò che nessun altro ha ancora pensato, riguardo a quello che chiunque vede.» E. Schrödinger
Link iscrizione evento: https://singularityumilan.com/incontro39
References:
Gamow G., Trent’anni che sconvolsero la fisica, Zanichelli,1966
Schroedinger E., Che cos’è la vita?, Adelphi Edizioni, 1995
Berenguer R.A.A., Mondo quantistico, Hachette, 2015
Heisenberg W., Fisica e Filosofia, Il Saggiatore, 2016
Heisenberg W., Lo sfondo filosofico della fisica moderna, Sellerio, 1999
…
Immagine di 2587098 da Pixabay
