Viaggio nel mondo che mise in crisi anche Einstein
Il 2025 è l’anno della fisica dei quanti: fu difatti nel 1925 che Heisenberg mise le basi per capire ciò che accade alle particelle che si muovono alla velocità della luce (fotoni). Ma che rimangono ancora un rebus
Tutti sanno che una cosa è impossibile fino a quando arriva uno sprovveduto che non lo sa e la fa”. Il famoso aforisma attribuito ad Albert Einstein (sempre che lo abbia detto: la circolazione di questi aforismi è sempre da prendere con precauzione) racconta in ogni caso bene di cosa si stiaaparlando quando parliamo di computer quantistici. Si possono costruire o sono solo un’illusione delle (ancora nebulose) conoscenze che abbiamo sulla fisica quantistica?
In uno dei molti libri che sono comparsi in libreria sul tema (“Il computer impossibile – Come il calcolatore quantistico cambierà il mondo” scritto da Giuliano Benenti, Giulio Casati e Simone Montangero per la prestigiosa collana Scienza e Idee fondata dal filosofo Giulio Giorello per Raffaello Cortina Editore) c’è una citazione che invece è di attribuzione certa: “Qualsiasi persona che non sia scioccata dalla teoria quantistica non l’ha capita”, di Niels Bohr (quello dell’atomo di Bohr, appunto, una delle menti che ci ha svelato il segreto della sua struttura).
Partiamo da questo: perché Bohr si spinse a dire questo?
Di certo lo choc è talmente comprovato in chi ha tentato di capirne qualcosa che lo stesso Albert Einstein, che ne è stato uno dei padri, a un certo punto della sua vita, alla fine, l’ha rinnegata.
Il punto fondamentale da capire è che ciò che accade nella fisica tradizionale, cioè la meccanica di Newton che riguarda le grandezze in cui ci muoviamo in quanto organismi biologici, non coincide con ciò che accade nella fisica dei quanti (come era stata chiamata all’inizio del Novecento). Per capire la differenza tra il nostro mondo è quello dei quanti potremmo dire, per semplificare, che quest’ultimo è l’infinitamente piccolo che si muove quasi alla velocità della luce (la velocità della luce non è sempre c e cambia difatti se si trova nel vuoto cosmico o in mezzo ad altre particelle che la possono disturbare).
Il paradosso del gatto vivo e morto
Questa contraddizione è stata oggetto di un famoso paradosso inventato da uno dei padri della stessa fisica quantistica: il famigerato gatto di Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger, che dovrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo fino a quando non apriamo la scatola in cui è imprigionato.
Tutti si concentrano sempre sulla prima parte del paradosso, giustamente: vivo e morto allo stesso tempo. Ma in realtà è più facile capire i segreti della fisica quantistica cercando di decriptare l’ultima parte della frase: quando apriamo la scatola. In sostanza nella fisica delle particelle che si muovono alla velocità quasi della luce (ciò che si studia proprio nel famoso acceleratore del Cern di Ginevra guidato da Fabiola Gianotti: qui per chi fosse interessato l’intervista che le ho fatto lo scorso dicembre) la “posizione” dipende dall’atto stesso dell’osservazione. E’ un po’ come la fotografia di una persona che corre: a noi sembra ferma perché l’abbiamo bloccata in quell’istante e magari sembra che stia volando perché l’abbiamo ripresa con ambedue i piedi sospesi. Ma in realtà la persona si sta muovendo. Il concetto di posizione non è del tutto corretto, ma dovendo usarne uno comprensibile i fisici quantistici mi perdoneranno.
E’ proprio questo uno dei punti che Einstein non accettò: la realtà scientifica dovrebbe essere oggettiva e non dipendere dal singolo atto dell’osservazione. Dovrebbe esistere in quella determinata “posizione” anche se nessuno sta guardando. Anche se la luce è spenta.
E invece tutto cambia nella fisica quantistica perché ci spostiamo dal determinismo al calcolo delle probabilità.
Le implicazioni, anche filosofiche, sono enormi. Scrisse nel 1942 Werner Heisenberg: «Nell’ambito della realtà le cui condizioni sono formulate dalla teoria quantistica, le leggi naturali non conducono quindi a una completa determinazione di ciò che accade nello spazio e nel tempo; l’accadere […] è piuttosto rimesso al gioco del caso.». E’ il famoso Principio di indeterminazione (qui per chi non teme il mal di testa e ha qualche cognizione di strumenti della fisica e della matematica).
Lo “gnommero” della fisica
E siamo così all’Entanglement, valso il premio Nobel per la Fisica nel 2022 (ne scrivevo qui). In quell’articolo spiegavo che per capire l’entanglement, cioè letteralmente in inglese il groviglio, in romano lo gnommero come avrebbe detto Carlo Emidio Gadda, si può fare un facile esperimento: lanciate una moneta in aria. Il calcolo delle probabilità ci può aiutare a comprendere cosa capiterà alla fine, quando la moneta cadrà per terra, ma in quel momento, di fatto, mentre ruota la risposta non c’è. O meglio: entrambe le risposte sono valide, la moneta è sia testa che croce allo stesso tempo. La moneta che fluttua è pura probabilità ma in ogni caso la testa sarà sempre collegata alla croce (entangled), quale che sia la distanza che vi poniamo in mezzo (immaginate una moneta grande come una galassia: per quanto sia larga se ruota la testa detrminerà la posizione della croce, anche se non sappiamo dove sono). Dunque mentre i computer tradizionali usano il linguaggio binario con una successione di 000110001, i qbit (quantum bit) contengono sia lo zero che l’uno del codice binario. Fusi insieme. Il risultato di questa magia quantistica si può quantificare così: nel 1961 il computer Ibm della Nasa faceva 24 mila operazioni al secondo. Già oggi stiamo costruendo computer con architetture tradizionali che hanno superato il miliardo di miliardi di operazioni con virgola mobile al secondo (exascale). Con i quantum computer i numeri straordinari di oggi ci appariranno come quelli della Nasa del 1961.
I tanti padri della fisica quantistica
Va detto che i padri di questa nuova fisica sono diversi: abbiamo citato Erwin Schrödinger, Bohr, Einstein, ma anche Paul Dirac, Enrico Fermi. Ma lo scienziato a cui si fa risalire la nascita stessa della disciplina in realtà è il già citato Werner Heisenberg e questo ci permette di spiegare perché il 2025 è l’anno della scienza e della tecnologia quantistica. Fu difatti un secolo fa che venne pubblicato lo studio di Werner Heisenberg che gli valse negli anni Trenta il primo premio Nobel sull’argomento (lo stesso Heisenberg che guidò il programma nucleare nazista e su cui gli storici non hanno mai sciolto il nodo: rallentò consapevolmente la costruzione dell’atomica tedesca? Da vedere sull’argomento il film The catcher was a spy). Il problema dei computer quantistici (per ora solo prototipi da laboratorio che dimostrano la possibilità teorica di costruirli) è che la sovrapposizione di stati 0 e 1 può essere turbata da mille fattori e il risultato spesso, più che un intreccio quantistico, è una passata di pomodoro piena di grumi (gli errori). Poche settimane fa Microsoft ha battezzato Majorana1 il proprio processore quantistico che promette di ridurre questi errori visto che il principio utilizzato in questo caso è quello delle particelle o fermioni di Majorana. Una intuizione, quella del fisico siciliano, che vede tra le possibili prove della sua esistenza un esperimento concluso nel 2016 a Oak Ridge, il sito Usa in cui lavorava Enrico Fermi (da cui, per inciso, viene il nome «fermione»). Difatti il primo grande ostacolo alla realizzazione dei computer quantistici è la decoerenza, che si verifica quando un qubit perde la sua capacità di mantenere una superposizione di stati, a causa di interferenze ambientali. In un sistema quantistico, è essenziale che i qubit siano protetti da fattori esterni come il rumore termico e le fluttuazioni elettromagnetiche. La stabilizzazione dei qubit attraverso tecniche di correzione degli errori quantistici è una delle aree di ricerca più promettenti, ma allo stesso tempo più difficili. Le promesse soprattutto nel campo delle telecomunicazioni e delle cirptature sono sconfinate.
Nel libro “Il computer impossibile”, Benenti e i suoi co-autori descrivono in maniera del tutto permeabile e digeribile l’intreccio della storia dei nostri scienziati quantistici con i padri dell’informatica e anche dell’Ai: da Shannon, il padre del bit come mattoncino lego dell’informazione, ad Alan Turing, padre conclamato della stessa intelligenza artificiale. Per gli appassionati ci si può muovere anche nei meandri della matematica ottocentesca di Boole (codici binari e operazioni di base dell’informatica: AND, OR, NOT) o ancora prima di Leibniz (anche se non la sviluppò pensò alla matematica binaria). Gli autori descrivono alcuni dei metodi più innovativi per ridurre l’effetto della decoerenza, come l’uso di qubit topologici o la costruzione di qubit robusti che siano meno suscettibili agli errori. Tuttavia, le soluzioni proposte sono ancora lontane dall’essere implementabili su larga scala, e per ora i computer quantistici sono per lo più di laboratorio, con una capacità di calcolo limitata. Questo in parte spiega perché gli autori lo hanno chiamato il computer impossibile, che però forse un giorno sarà una possibilità. Fate girare una moneta in aria e il “caso” di Heisenberg forse ci darà una risposta valida.
