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 che non possiamo provare. Dopotutto, dove saremmo senza la nostra innata curiosità?

Per capire il potere dell’ignoto, stiamo per analizzare i concetti chiave alla base della fisica quantistica — due di essi, per essere precisi (phew!). È tutto piuttosto astratto, in realtà, ma questo è un buon segno per noi, perché non è necessario essere un fisico teorico vincitore del Nobel per capire cosa sta succedendo. E cosa sta succedendo? Ebbene, scopriamolo.

Laying the groundwork

Inizieremo con un breve esperimento mentale. Il fisico austriaco Erwin Schrödinger (SDGR ) vuole che tu immagini un gatto in una scatola sigillata. Finora, tutto bene. Ora immagina un vial contenente una sostanza letale 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 mentale è noto come il paradosso del gatto di Schrödinger, e spiega perfettamente uno dei due principali fenomeni della meccanica quantistica.

La sovrapposizione stabilisce 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 scoraggiarti — anche Einstein era stato colpito dall’idea. Descritta 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 seguiamo la sovrapposizione).

L’entanglement stabilisce 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. Il primo dado è atterrato su testa? Allora la misurazione del dado rimanente deve essere croce. In altre parole, quando osservate, le particelle intrecciate si contraddicono a vicenda. Non c’è bisogno di avere paura, però — l’entanglement non è così comune. Non ancora, almeno.

The likely hero

“Qual è il punto di tutta questa conoscenza se non posso utilizzarla?”, 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, semplicemente raddoppierei la quantità di bit — questo non è affatto simile ai computer quantistici.

Un computer quantistico utilizza qubit, l’unità fondamentale di informazione quantistica, per fornire capacità di elaborazione ineguagliate anche dal più potente 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). Al contrario, 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 confrontiamo 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 poi raddoppiala.

Nothing’s perfect

Ma c’è un problema — anche le più piccole vibrazioni e cambiamenti di temperatura, definiti dai ricercatori come “rumore”, possono causare la decadenza delle proprietà quantistiche e alla fine, scomparire del tutto. Sebbene non possiate osservare questo in tempo reale, ciò che proverete 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 basa sulla meccanica quantistica.

In uno scenario ideale, un processore quantistico è completamente isolato dall’ambiente circostante. Per farlo, gli scienziati utilizzano frigoriferi specializzati, noti come refrigeratori criogenici. Questi refrigeratori criogenici sono più freddi dello spazio interstellare e consentono al nostro processore quantistico di condurre elettricità con una resistenza virtualmente nulla. Questo 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.

A (new) world of possibilities

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

Yet, una delle prospettive più allettanti è forse quella dell’intelligenza artificiale quantistica. Ciò è dovuto al fatto che i sistemi quantistici eccellono nel calcolare le probabilità per molte scelte possibili — la loro capacità di fornire 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 nel settore automobilistico fino alla ricerca medica. Lockheed Martin (LMT ), il gigante aerospaziale americano, è stato veloce a rendersi conto dei benefici e sta già guidando l’esempio con il suo computer quantistico, utilizzandolo per testare il software di autopilota. 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 di crittografia dei dati più utilizzati al mondo, 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 possono facilmente violare queste crittografie grazie alla loro capacità unica di calcolare numerosi risultati simultaneamente.

Teoricamente, la distribuzione quantistica della chiave 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 poi inviati al destinatario attraverso un cavo ottico. Se i qubit codificati fossero stati osservati da un terzo, sia tu che il tuo amico sareste stati avvisati 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.

Food for thought

Non si ferma qui. 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 intrecciate attraverso il loro satellite Micius su una distanza record di 745 miglia. Questo è il buon messaggio. Il messaggio negativo è che, su 6 milioni di fotoni intrecciate 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 importante da QuTech, un centro di ricerca presso la TU Delft nei Paesi Bassi — il loro sistema quantistico opera a una temperatura superiore di un grado rispetto allo zero assoluto (-273 gradi Celsius).

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