Siamo materialisti. Abbiamo detto che questo è un punto fermo che ci posiziona agli antipodi di qualsiasi visione trascendentale per comprendere ed agire nella realtà.
Nella terza parte del dialogo con giovan3 fisic3 che frequentano l’Officina Scift inaugurata a marzo 2025 presso Làbas a Bologna, Giuseppe e Caterina ci portano nella teoria e nella pratica della meccanica/fisica quantistica.
Finora abbiamo parlato della distinzione tra fisica e meccanica quantistica, di come la teoria dei quanti abbia scombussolato la fisica classica e messo in discussione determinismo e linearità, lasciando spazio alla probabilità. Abbiamo percorso cent’anni di storia volati in un attimo tra scontri teorici e l’avanzata delle applicazioni della fisica/meccanica quantistica, dalla fissione fino alla fusione nucleare.
La chiacchierata si articola in quattro parti.
Vi consigliamo di ascoltare gli audio per cogliere appieno la ricchezza di quanto ci è stato raccontato. Il testo scritto raccoglie solo alcune estrapolazioni, una sorta di riassunto essenziale accompagnato da brevi note.
Grazie a Giuseppe, Caterina e Marco e buon ascolto!
TERZA PARTE
L’insostenibile fascino dell’entanglement, cioè il fatto che lo stato di una particella è correlato ad un’altra e che questa relazione si manifesta anche a distanze molto grandi, ci porta a ragionare su potenzialità e limiti dei computer quantistici.
L’insostenibile fascino dell’entanglement.
L’entanglement quantistico si può tradurre come intrico, viluppo. E’ quel fenomeno per cui un gruppo di particelle viene generato o interagisce in maniera tale che lo stato di ogni particella non può essere descritto indipendentemente dallo stato delle altre. Lo stato di una particella è correlato ad un’altra e questa relazione si manifesta anche a distanze molto grandi. Se si allontanano due particelle questa proprietà continua a valere se non interagiscono con nient’altro. Nel momento in cui si fa la misura di una si saprà anche la misura dell’altra e si può dire che lo stato cambierà per tutte e due.
Nota – “Fare una misura” significa “far collassare la funzione d’onda che descrive il sistema”: prima della misura, le particelle sono descritte da una sovrapposizione di stati possibili; con la misura si determina un solo stato possibile per l’intero sistema, quindi in questo caso per entrambe le particelle.”
C’è da dire che per ora non è possibile trasmettere informazioni attraverso questo meccanismo per quello di cui abbiamo parlato a proposito dell’interpretazione di Copenhagen (vedi Parte seconda) e cioè che nel momento in cui abbiamo lo stato di un sistema non sappiamo in anticipo il risultato preciso della misura. Quando si fa una misura è come se si scoprisse una carta coperta. Questo fa sì che per ora l’entanglement non sia un modo per comunicare istantaneamente da un punto dell’universo all’altro.
Teletrasporto quantistico.
Quello che viene chiamato “teletrasporto quantistico” è una forma di comunicazione che sfrutta l’entanglement, insieme a un modo astuto di compiere operazioni di misura, per trasferire lo stato di un sistema in un altro sistema, ovunque si trovi un ricevitore con la strumentazione adatta. L’operazione trasforma il secondo sistema in una copia esatta del primo, distruggendo il primo. Non è istantaneo, perché richiede l’emissione e la ricezione di un segnale elettromagnetico, che viaggia alla velocità della luce, e ha quindi un tempo non nullo di propagazione, ma è sicuramente il canale più veloce che abbiamo concepito per trasferire un oggetto da un punto all’altro dell’universo!
Per ora ci siamo riusciti solo con particelle microscopiche, ma la teoria è dalla nostra parte..
Dall’entanglement nuove applicazioni.
Le applicazioni della teoria della fisica quantistica le troviamo già da anni in molteplici aspetti della nostra vita quotidiana. Ci sono stati sviluppi tecnologici e vari applicativi, alcuni positivi e altri meno come la bomba.
Una delle applicazioni di cui si parla nell’attualità è quella dei computer quantistici. C’è addirittura chi parla di nuova età: l’età della pietra, l’età del bronzo, l’età del ferro e l’età del quantum. Perché si può parlare di una nuova era? Avendo raccontato gli ultimi cent’anni di storia (vedi Prima parte) possiamo identificare una prima rivoluzione della fisica quantistica all’inizio del novecento, con applicazioni che sfruttano le proprietà del dualismo onda-corpuscolo mentre oggi stiamo vivendo una seconda rivoluzione con lo sviluppo di nuove tecnologie che sfruttano le proprietà di entanglement e di sovrapposizione di stati.
Computer quantistico.
Come funziona un computer quantistico? L’unità fondamentale di informazione del computer quantistico è il qubit, il quantum bit, e possiede le due caratteristiche fondamentali del sistema quantistico: la sovrapposizione di stati (non vale o 0 o 1 ma vale contemporaneamente sia 0 che 1), l’entanglement (più qubit possono essere entangled tra loro, cioè correlati in modo che il risultato della misura di uno influenzi l’altro, anche a distanza).
Il computer quantistico di certo non l’abbiamo nelle nostre case, non è come il classico computer o il telefono. E’ qualcosa di molto particolare – il campo di ricerca è ancora aperto – che sfrutta le due proprietà, sovrapposizione e entanglement, per cercare di superare quelle che sono le capacità di un computer classico. Attenzione però: non è un computer classico potenziato. E’ un altro strumento. La metafora che si può usare è quella della differenza tra una candela e una lampadina. In linea teorica entrambe possono fare luce però sicuramente con la lampadina si possono fare molte più cose. Ovviamente possiamo vederla come un potenziamento della candela: se c’è vento la lampadina non si spegne, in una situazione particolare continua a fare luce, ma non è solo “una candela più brillante”, è un altro modo di produrre luce. Allo stesso modo il Quantum computer non è solo “un PC più veloce”, è un nuovo modello di calcolo, basato sulle leggi della meccanica quantistica.
Non si sta parlando del semplice potenziamento di uno strumento.
Il computer quantistico permette e abilita una serie di operazioni che il computer classico non può fare. Non è solo una questione di tempistiche. E’ proprio una questione di perimetro d’azione. Il computer quantistico, sfruttando i due principi fondamentali della fisica quantistica, sovrapposizione e entanglement, può essere usato anche per studiare la fisica quantistica stessa. Qual è il miglior modo di simulare un sistema quantistico se non quello di sfruttare proprio esso stesso per verificare e sperimentare nuove proprietà dei sistemi quantistici? Una sorta di meta ricerca.
Computer quantistici e IA – Velocità
Non c’è un nesso definito tra computer quantistici e IA. Si può però dire che la potenza di calcolo data dal computer quantistico potrebbe abilitare una serie di operazioni che nei computer normali sarebbero più complesse, dispendiose e lunghe. Processi dispendiosi e complessi l’addestramento di modelli di intelligenza artificiale e l’elaborazione di enormi quantità di dati – con l’era del quantum computer potrebbero diventare attività più accessibili.
IA: funzionamento su base probabilistica
Anche senza ricorrere al computer quantistico, l’Intelligenza Artificiale funziona sulla base di principi probabilistici e statistici. La statistica è alla base di qualsiasi modello di IA. Esiste un concetto probabilistico dietro l’IA, ma non è lo stesso che abbiamo incontrato parlando dello stato quantistico di un sistema: qui il significato è diverso.
La probabilità in IA rappresenta il grado di fiducia del modello nella propria previsione, basata sui dati di addestramento. Se si parla di modelli classici di classificazione si allena una macchina su milioni di immagini, per esempio tigri e gatti, indicando ogni volta se si tratta dell’uno o dell’altro. Una volta addestrata, quando le si presenta una nuova immagine, l’IA fornisce una previsione, può dire che quell’immagine è un gatto con il 99,9% di probabilità. L’IA fornisce l’output con la probabilità più alta, ma non garantisce che sia corretto. Le allucinazioni dell’AI generativa ne sono un esempio. Il concetto probabilistico dell’IA classica è diverso da quello della meccanica quantistica: in IA è una misura di incertezza dovuta ai dati e al modello, in fisica quantistica è una proprietà intrinseca dello stato fisico.
Riscontri di utilizzo dei computer quantistici
I computer quantistici permettono di eseguire tante operazioni in un tempo veramente infinitesimo rispetto al computer classico.
Un riscontro si è avuto in biologia e nella creazione di nuovi farmaci. Il computer quantistico è stato usato per formulare tutti i modi con cui possono interagire diverse molecole, individuare le proteine che interagiscono in un certo modo in un sistema biologico e realizzare delle simulazioni. Operazioni, computazionalmente complesse, con il computer quantistico vengono svolte con facilità, abbreviando i tempi per la creazione e la sintesi di farmaci. C’è chi sostiene che si potrà arrivare anche alla soluzione per l’Alzheimer in un tempo che non era immaginabile. E’ un campo su cui si sta sperimentando tanto e in cui si sono ottenuti dei risultati incredibili.
Un altro ambito applicativo delle potenzialità di queste nuove tecnologie è quello della crittografia dei messaggi. Si stanno testando nuove chiavi con cui proteggere le comunicazioni.
Limiti dei computer quantistici
Oggi i computer quantistici hanno un grosso limite che rappresenta il vero filone di ricerca: riuscire a renderli stabili.
Sono tecnologie che funzionano su una scala piccolissima, sfruttando proprietà quantistiche che non sono emergenti in un sistema macroscopico, agendo in un regime così infinitesimale da essere facilmente perturbabile.
Non stiamo parlando di una scossa o una spinta macroscopica, come quella che può disturbare una sarta che sta cucendo un abito, ma di eventi molto più sottili, come il passaggio di un neutrino che attraversa normalmente la nostra terra e noi stessi, e che risulta praticamente impossibile da schermare.
Nota – Il rumore più rilevante oggi per i qubit è dovuto a interazioni ambientali locali, interazioni termiche, vibrazioni, onde elettromagnetiche, impurezze nei materiali. I neutrini non sono una causa pratica significativa di decoerenza oggi, ma mi sembravano mainstram per la metafora!
Gran parte delle ricerche su queste tecnologie concentrato sul cercare di ritrovare contesto, sistema, condizioni in cui il computer quantistico riesce ad essere stabile e a mantenere la stabilità per un tempo lungo.
Nota – Gran parte della ricerca riguarda materiali, tecniche di isolamento, raffreddamento, e miglioramento della coerenza quantistica.
Più si riesce a tenere stabile il sistema, più a lungo si riesce a farlo lavorare e ottenere dei risultati utili. Garantire la stabilità del sistema vuol dire lavorare a temperature prossime allo zero assoluto, in laboratori particolari, in condizioni che sono di per sé dispendiose anche dal punto di vista energetico. Per cui l’impronta ecologica di un computer quantistico già solo per farlo mantenere operativo, per cercare di dargli stabilità, sicuramente è impattante. Per il momento sicuramente non possiamo pensare di averlo a casa e stabile, utilizzabile, fruibile da tutti e da tutte.
