Come la Meccanica Quantistica Cambierà l’Industria Tecnologica

Richard Feynman una volta disse, “Se pensi di capire la meccanica quantistica, allora non capisci la meccanica quantistica.” Mentre questo potrebbe essere vero, non significa certo che non possiamo provare. Dopo tutto, dove saremmo senza la nostra innata curiosità?

Per capire il potere dell’ignoto, stiamo per dipanare i concetti chiave dietro la fisica quantistica — due di essi, per essere esatti (uf!). È tutto piuttosto astratto, in realtà, ma è una buona notizia per noi, perché non è necessario essere un fisico teorico vincitore del Nobel per capire cosa sta succedendo. E cosa sta succedendo? Bene, scopriamo.

Gettare le basi

Inizieremo con un breve esperimento di pensiero. Il fisico austriaco Erwin Schrödinger vuole che tu immagini un gatto in una scatola sigillata. Finora, tutto bene. Ora immagina un vial contenente una sostanza letale che viene inserito all’interno della scatola. Cosa è successo al gatto? Non possiamo saperlo con certezza. Quindi, fino a quando la situazione non viene osservata, cioè apriamo la scatola, il gatto è sia morto che vivo, o in termini più scientifici, si trova in una sovrapposizione di stati. Questo famoso esperimento di pensiero è noto come il paradosso del gatto di Schrödinger, e spiega perfettamente uno dei due principali fenomeni della meccanica quantistica.

La sovrapposizione dice che, proprio come il nostro amato gatto, una particella esiste in tutti gli stati possibili fino al momento in cui viene misurata. “Osservare” la particella distrugge immediatamente le sue proprietà quantistiche, e voilà, è nuovamente governata dalle regole della meccanica classica.

Ora, le cose stanno per diventare più complesse, ma non essere scoraggiato — anche Einstein era stato colpito dall’idea. Descritto dall’uomo stesso come “azione spettrale a distanza”, l’entanglement è una connessione tra una coppia di particelle — un’interazione fisica che risulta nel loro stato condiviso (o nella mancanza di esso, se andiamo per la sovrapposizione).

L’entanglement dice che un cambiamento nello stato di una particella intrecciata scatena una risposta immediata e prevedibile dalla particella rimanente. Per mettere le cose in prospettiva, lanciamo due monete intrecciate in aria. Successivamente, osserviamo il risultato. La prima moneta è atterrata su testa? Allora la misurazione della moneta rimanente deve essere croce. In altre parole, quando osservate, le particelle intrecciate si contrappongono a vicenda. Non c’è bisogno di avere paura, però — l’entanglement non è così comune. Non ancora, almeno.

L’eroe probabile

“Qual è il punto di tutta questa conoscenza se non posso usarla?”, potresti chiederti. Qualsiasi sia la tua domanda, è probabile che un computer quantistico abbia la risposta. In un computer digitale, il sistema richiede bit per aumentare la sua potenza di elaborazione. Quindi, per raddoppiare la potenza di elaborazione, si raddoppia semplicemente la quantità di bit — questo non è affatto simile nei computer quantistici.

Un computer quantistico utilizza qubit, l’unità fondamentale di informazione quantistica, per fornire capacità di elaborazione ineguagliate anche dai più potenti supercomputer del mondo. Come? I qubit sovrapposti possono affrontare simultaneamente una serie di risultati potenziali (o stati, per essere più coerenti con i nostri segmenti precedenti). In confronto, un computer digitale può eseguire solo un calcolo alla volta. Inoltre, attraverso l’entanglement, siamo in grado di amplificare esponenzialmente la potenza di un computer quantistico, in particolare quando lo si confronta con l’efficienza dei bit tradizionali in una macchina digitale. Per visualizzare la scala, considera la quantità di potenza di elaborazione che ogni qubit fornisce, e ora raddoppiala.

Niente è perfetto

Ma c’è un problema — anche le più piccole vibrazioni e i cambiamenti di temperatura, definiti dai ricercatori come “rumore”, possono causare la decadenza delle proprietà quantistiche e, alla fine, farle scomparire del tutto. Mentre non puoi osservare questo in tempo reale, ciò che si sperimenta è un errore di calcolo. La decadenza delle proprietà quantistiche è nota come decoerenza, ed è uno dei più grandi ostacoli quando si tratta di tecnologia che si affida alla meccanica quantistica.

In uno scenario ideale, un processore quantistico è completamente isolato dall’ambiente circostante. Per farlo, gli scienziati utilizzano frigoriferi specializzati, noti come frigoriferi criogenici. Questi frigoriferi criogenici sono più freddi dello spazio interstellare e consentono al nostro processore quantistico di condurre elettricità con una resistenza virtualmente nulla. Ciò è noto come stato superconduttivo, e rende i computer quantistici estremamente efficienti. Di conseguenza, il nostro processore quantistico richiede solo una frazione dell’energia che un processore digitale utilizzerebbe, generando una potenza esponenzialmente maggiore e molto meno calore nel processo. In uno scenario ideale, almeno.

Un (nuovo) mondo di possibilità

La previsione del tempo, la modellazione finanziaria e molecolare, la fisica delle particelle… le possibilità di applicazione per il calcolo quantistico sono sia enormi che prosperose.

Tuttavia, una delle prospettive più allettanti è forse quella dell’intelligenza artificiale quantistica. Ciò è perché i sistemi quantistici eccellono nel calcolare le probabilità per molte scelte possibili — la loro capacità di fornire un feedback continuo a software intelligenti è senza pari nel mercato di oggi. L’impatto stimato è imponderabile, che si estende attraverso campi e settori — dalla intelligenza artificiale nell’industria automobilistica fino alla ricerca medica. Lockheed Martin, il gigante aerospaziale americano, si rese rapidamente conto dei benefici e sta già facendo da esempio con il suo computer quantistico, utilizzandolo per testare il software di pilotaggio automatico. Prendi nota.

I principi della meccanica quantistica sono anche utilizzati per affrontare problemi di sicurezza informatica. La crittografia RSA (Rivest-Shamir-Adleman), uno dei metodi più utilizzati per la crittografia dei dati, si basa sulla difficoltà di fattorizzare (molto) grandi numeri primi. Mentre questo potrebbe funzionare con i computer tradizionali, che non sono particolarmente efficaci nel risolvere problemi multifattoriali, i computer quantistici potranno facilmente violare queste crittografie grazie alla loro capacità unica di calcolare numerosi risultati simultaneamente.

Teoricamente, la distribuzione di chiavi quantistiche si occupa di questo con un sistema di crittografia basato sulla sovrapposizione. Immagina di cercare di trasmettere informazioni sensibili a un amico. Per farlo, crei una chiave di crittografia utilizzando qubit, che vengono quindi inviati al destinatario attraverso un cavo ottico. Se i qubit codificati fossero stati osservati da un terzo, sia tu che il tuo amico sarete stati notificati da un errore inaspettato nell’operazione. Tuttavia, per massimizzare i benefici della QKD, le chiavi di crittografia dovrebbero mantenere le loro proprietà quantistiche in ogni momento. Più facile a dirsi che a farsi.

Cibo per la riflessione

Non si ferma lì. Le menti più brillanti in tutto il mondo stanno costantemente cercando di utilizzare l’entanglement come modalità di comunicazione quantistica. Finora, i ricercatori cinesi sono stati in grado di trasmettere con successo coppie di fotoni intrecciati attraverso il loro satellite Micius su una distanza record di 745 miglia. Questa è la buona notizia. La cattiva notizia è che, su 6 milioni di fotoni intrecciati trasmessi ogni secondo, solo una coppia ha superato il viaggio (grazie, decoerenza). Un risultato incredibile comunque, questo esperimento delinea il tipo di infrastruttura che potremmo utilizzare in futuro per garantire le reti quantistiche.

La corsa quantistica ha anche visto un recente progresso innovativo da QuTech, un centro di ricerca presso il TU Delft nei Paesi Bassi — il loro sistema quantistico opera a una temperatura di oltre un grado più calda dello zero assoluto (-273 gradi Celsius).

Mentre questi risultati potrebbero sembrarti insignificanti, la verità è che, prova dopo prova, tali ricerche innovative ci stanno avvicinando un passo alla tecnologia di domani. Una cosa rimane immutata, tuttavia, ed è la realtà lampante che coloro che riusciranno a sfruttare con successo il potere della meccanica quantistica avranno la supremazia sul resto del mondo. Come pensi che lo useranno?