I 100 anni della meccanica quantistica (che ci ha cambiato la vita)

Hanno utilizzato una serie di esperimenti per dimostrare che le proprietà del mondo quantistico possono essere concretizzate in un sistema abbastanza grande da essere tenuto in mano. Prima d’ora era avvenuto solamente in sistemi con poche particelle microscopiche. Sono il britannico John Clarke, nato nel 1942 e docente alla Berkeley University, in California, il francese Michel Devoret, nato nel 1953 e lo statunitense John Martinis, classe 1958, questi ultimi entrambi docenti all’Università di Santa Barbara, sempre in California. Il 7 ottobre scorso hanno ricevuto il premio Nobel per la Fisica 2025.

I tre scienziati hanno creato un sistema elettrico superconduttore in grado di passare da uno stato all’altro con l’effetto tunnel e che assorbe ed emette energia in dosi di dimensioni specifiche, proprio come previsto dalla meccanica quantistica. Questo è valso loro il Nobel “per la scoperta del tunnel quantistico macroscopico e della quantizzazione dell’energia in un circuito elettrico”. 

il Comitato Nobel ha fatto ricorso a un’immagine in stile Harry Potter per spiegarlo. È come se i tre scienziati avessero lanciato una palla contro il muro e anziché vederla rimbalzare l’avessero fatta passare dall’altra parte. È un fenomeno noto da un secolo alla meccanica quantistica, che studia i comportamenti delle particelle microscopiche del mondo subatomico.

Una singola particella subatomica (come un elettrone), può anche, o meglio ha una probabilità non nulla, di attraversare direttamente una barriera nel suo mondo microscopico e riapparire dall’altra parte. Questo fenomeno di meccanica quantistica è chiamato effetto tunnel (tunneling). I tre scienziati hanno invece dimostrato come i bizzarri fenomeni della meccanica quantistica possano manifestarsi ed essere controllati in sistemi su scala macroscopica.

Clarke, Devoret e Martinis lavoravano in questo campo da molti anni, a cominciare dal 1984, quando hanno iniziato a condurre una serie di esperimenti con un circuito elettrico costituito da superconduttori, materiali che al di sotto di certe temperature sono in grado di condurre corrente senza alcuna resistenza elettrica, ossia senza ostacolare in alcun modo il passaggio di corrente elettrica.  Già allora furono in grado di controllare ed esplorare i fenomeni che si verificano quando passa corrente elettrica in un circuito in cui i componenti superconduttori sono in realtà separati da un sottile strato di materiale non conduttivo, il quale teoricamente impedirebbe il passaggio della stessa corrente. Fu la prima tappa per portare la meccanica quantistica dal mondo microscopico alle nostre dimensioni e realizzare così quel computer che promette nel giro di dieci anni di rivoluzionare il mondo dell’informatica.

«Non esiste oggi alcuna tecnologia avanzata che non si basi sulla meccanica quantistica, compresi i telefoni cellulari, le macchine fotografiche… e i cavi in ​​fibra ottica» ha affermato il comitato del Nobel. E la creazione dei computer quantistici coinvolge anche l’Italia «Piangiamo di gioia per la felicità. il Nobel è un premio a tutta la comunità e ci conferma che siamo sulla strada giusta» ha detto all’Ansa Francesco Tafuri – docente all’Università Federico II di Napoli, ricercatore dell’Infn (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), così come dell’Icsc (Centro Nazionale di Ricerca in Quantum Computing) – che è stato a capo del gruppo che ha realizzato il primo computer quantistico italiano a superconduttori, basato sulla tecnica dei tre Nobel.

La meccanica quantistica, o teoria dei quanti, è una teoria che si è rivelata l’unica capace di spiegare il comportamento della materia nel mondo microscopico. Onde che si comportano come particelle, particelle che oltrepassano le barriere come fantasmi. È questo lo strano mondo che gli scienziati si sono trovati di fronte quando hanno scoperto la meccanica quantistica. Nel mondo microscopico, le quantità fisiche come l’energia non possono essere scambiate in modo “continuo”, come un flusso d’acqua del rubinetto che si può dosare a piacere, ma attraverso “pacchetti” detti “quanti”. Si può dire come una serie di misurini (contenitori dal volume prefissato), o “pacchetti” di acqua. In virtù di questa proprietà, la luce è così composta da corpuscoli di energia detti “fotoni”; e anche gli atomi possono assorbire questa energia soltanto a pacchetti: un atomo, per esempio, può assorbire o emettere 1 o 2 o 3 o più fotoni, ma non 2,7 fotoni o mezzo fotone. È quello che avviene nell’effetto fotoelettrico, in base al quale un metallo colpito dal giusto tipo di luce produce elettricità. Questo fenomeno – scoperto alla fine dell’800 e spiegato nel 1905 dal grande fisico tedesco, naturalizzato svizzero e statunitense, Albert Einstein (premio Nobel nel 1921) – è alla base del funzionamento dei moderni pannelli fotovoltaici.

La seconda “stranezza” della meccanica quantistica è il fatto che tutte le particelle hanno una doppia natura: in alcuni esperimenti si comportano come corpuscoli, in altri come onde.

Inoltre, mentre la fisica classica che conosciamo è “prevedibile”, ovvero permette per esempio di calcolare con precisione la traiettoria di un proiettile o di un pianeta. Al contrario, nella meccanica quantistica esiste il principio di indeterminazione. Significa che se vogliamo descrivere il comportamento di un elettrone in un atomo, possiamo solo affermare che è localizzato in una “nube” intorno al nucleo, e la meccanica quantistica ci indica la probabilità che, effettuando una misura, l’elettrone si trovi in un certo punto, ed è impossibile determinare con precisione la posizione e la velocità di un elettrone contemporaneamente. Perché non è possibile “osservare” (misurare) un sistema quantistico senza disturbarlo.

Un altro fenomeno quantistico bizzarro è il già citato effetto tunnel (tunneling) quantistico, cioè il fatto che le particelle possano superare una barriera come un fantasma passa attraverso un muro. Così si spiega per esempio il decadimento delle sostanze radioattive, le cui radiazioni emesse sono costituite da particelle che superano una barriera energetica all’interno dei nuclei. Se nella meccanica classica una particella non può superare un ostacolo se essa possiede un’energia cinetica inferiore all’energia potenziale richiesta per superare l’ostacolo stesso, nell’ambito della meccanica quantistica, anche utilizzando le leggi sulla natura ondulatoria delle particelle elementari, si può effettuare il calcolo della probabilità che l’incontro della particella con l’ostacolo produca una riflessione o un attraversamento.

Tutto ciò è già abbastanza strano. Ma il fenomeno più curioso è la sovrapposizione di stati. Facciamo un esempio immaginando un sistema fisico semplice in cui ci sono solo due stati, come nel caso di una moneta fatta ruotare sul tavolo: la faccia di una moneta classica ha sempre un valore definito, o testa o croce, anche se dobbiamo aspettare che si fermi per conoscerlo. Una moneta quantistica, invece, può trovarsi, come se fosse in rotazione, in una sovrapposizione dei due stati, sia testa che croce.

La sovrapposizione quantistica è un concetto controintuitivo che sfida la nostra visione classica della realtà ma allo stesso tempo rappresenta una delle risorse fondamentali per le tecnologie quantistiche. Sembrano concezioni relativamente moderne, ma sono nate nei primi decenni del secolo scorso. Quest’anno infatti se ne celebra il centenario: il 2025 è stato dichiarato dalle le Nazioni l’International Year of Quantum Science and Technology, l’anno della Scienza e Tecnologia Quantistica. Perché fu nel 1925 che il lavoro teorico del fisico tedesco Werner Heisenberg, con l’aiuto di Max Born (fisico tedesco naturalizzato britannico e premio Nobel per la fisica nel 1954) e Pascual Jordan (fisico e matematico tedesco), portò alla prima formulazione matematica completa della meccanica quantistica. L’anno seguente, peraltro, il fisico austriaco Erwin Schrödinger formulò la funzione d’onda e sempre Max Born ne diede l’interpretazione probabilistica, scardinando così i fondamenti della fisica classica quando si indaga la natura su scala atomica, dove tutto quello che possiamo conoscere sono solo probabilità. Ma la rivoluzione quantistica era comunque iniziata nel 1900, con il fisico tedesco, premio Nobel nel 1918, Max Planck che per primo introdusse l’idea che l’energia non fosse continua ma “quantizzata”, ovvero emessa in pacchetti: i già citati quanti.

E ora si aggiunge il contributo fornito dai tre premi Nobel della Fisica 2025 che ha permesso di osservare i comportamenti della materia nel mondo infinitamente piccolo a livello macroscopico, dimostrando così che le leggi della meccanica quantistica non si applicano solo agli atomi e alle singole particelle, ma possono influenzare sistemi più complessi.

Se effetti quantistici come il tunneling e la sovrapposizione di stati si riescono a produrre in circuiti costruiti in laboratorio, così da poter essere manipolati, allora si possono sfruttare per elaborare informazioni in modo del tutto nuovo, molto più potente dei sistemi tradizionali. Come nei cosiddetti computer quantistici. A differenza di un computer classico, dove l’unità di informazione è il bit, che come sappiamo può assumere esclusivamente due valori, lo stato 0 o lo stato 1 (ciò viene realizzato con opportuni circuiti elettrici dove due stati sono rappresentati da 0 e 5 volt); nel computer quantistico (quantum computer) l’unità è invece il qubit (bit quantistico), nel quale può esistere la sovrapposizione contemporanea di entrambi gli stati, come visto nell’esempio della monetina quando la facciamo ruotare sul tavolo.

Se la “monetina classica” (il bit) può assumere solo due valori, o stati, digitali, 0 o 1, per rappresentare 8 diversi valori abbiamo bisogno di 3 monetine (3 bit). Ciò deriva dalla formula che è ricavata dai 2 stati (0 e 1) elevati al numero di monetine, che sono 3 nell’esempio (o 3 bit), dunque 2³= 8. Le combinazioni sono le seguenti (8 stringhe di tre bit diverse: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 e 111):

Ma se usassimo delle “monetine quantistiche” (chiamiamole Q-monetine, che sarebbero poi i qubit) esse rimarrebbero in uno stato di sovrapposizione tra 0 e 1, per cui in ciascun instante, nell’esempio visto, possono rappresentare tutti gli 8 valori contemporaneamente:

Come appena visto dunque, il sistema quantistico di 3 qubit può assumere, allo stesso tempo, 8 valori: 2³=8. Allo stesso modo 1 singolo qubit può rappresentare 2 stati contemporaneamente: 2¹=2. E a seguire: 2 qubit possono avere 4 stati contemporaneamente (cioè una coppia di qubit può trovarsi in qualsiasi sovrapposizione quantistica di 4 stati, infatti 2²=4). Invece 4 qubit avranno, 2⁴=16, una sovrapposizione di 16 stati; 8 qubit di 256 stati, 2⁸=256 e via dicendo.  

In sostanza, in un computer quantistico, gli n qubit possono essere in qualsiasi sovrapposizione fino a 2 elevato a n stati diversi: 2ⁿ.

Ma un’altra caratteristica sorprendente dei qubit è l’entanglement (letteralmente, in inglese, groviglio, intreccio). L’entanglement quantistico (intreccio quantistico) sui qubit è la fondamentale correlazione, o legame, che si manifesta tra un qubit e un altro, per il quale un cambiamento che si verifica su uno, appare anche sull’altro, istantaneamente e indipendentemente dalla distanza. Questo fenomeno, che permette ai qubit di formare un singolo sistema indivisibile, è alla base della potenza dei computer quantistici, consentendo loro di risolvere problemi che sono intrattabili per i computer classici. 

Più in generale, nella meccanica quantistica, in base all’entanglement se due particelle interagiscono per un certo periodo di tempo e poi vengono separate, quando una di loro viene sollecitata, in modo tale da cambiare il proprio stato, istantaneamente sulla seconda particella si manifesta un’analoga sollecitazione, a qualunque distanza essa si trovi rispetto alla prima; in altri termini, anche la seconda particella modifica istantaneamente il suo stato. 

L’effetto combinato della sovrapposizione e dell’entanglement fa sì che 𝑛 qubit possano rappresentare come visto fino a 2ⁿ stati contemporaneamente. Questo permette ai computer quantistici di eseguire calcoli su tutti questi stati in parallelo, invece che in sequenza.  Quindi per una capacità di calcolo su un volume di dati molto più grande e in tempi molto inferiori rispetto al computer classico, ampliando anche le possibilità di codifica delle informazioni per la risoluzione di problemi estremamente complessi, come quelli alla base dell’intelligenza artificiale.

I circuiti studiati dai tre ricercatori premi Nobel 2025 sono proprio alla base dei qubit. Lo stesso John Martinis aveva guidato, presso Google, un team per la realizzazione di Sycamore, un processore quantistico con 53 qubit progettato per affrontare calcoli impraticabili per i computer tradizionali. 

Google affermò nel 2019 che Sycamore risolse in 200 secondi un compito che un supercomputer classico (si prese come riferimento quello più all’avanguardia di IBM) avrebbe invece risolto in 10.000 anni circa. Fu secondo Google la prima dimostrazione di “supremazia quantistica”. Anche se IBM successivamente sostenne che il suo supercomputer classico avrebbe risolto il problema in solo 2,5 giorni. Seguirono poi altre dimostrazioni importanti in tutto il mondo. Sebbene i computer classici attualmente rimangano insostituibili nella maggior parte delle applicazioni, il risultato di Sycamore aprì una nuova fase nella corsa al calcolo quantistico.

L’Italia è presente in questo scenario, con diversi poli di ricerca universitari importanti e con computer quantistici a Torino e Napoli, mentre a Bologna sono previsti, tra la fine del 2025 e l’inizio del 2026, due potentissimi sistemi di quantum computing tra i più avanzati d’Europa. I quali verranno integrati con Leonardo, uno dei supercomputer tradizionali più veloci al mondo, in grado di fare 250 milioni di miliardi di operazioni al secondo, già installato al Tecnopolo di Bologna. Tecnopolo rinominato in DAMA, che – evocando il celebre capolavoro di Leonardo da Vinci, La Dama con l’Ermellino – sintetizza la fusione tra “DAta” e “MAnifattura”, pilastri fondanti del progetto.  

E come spiegato dal finlandese Mikko Välimäki, Co-CEO di IQM Quantum Computers (azienda leader che fornirà uno dei due computer quantistici a Bologna, IQM Radiance, invece l’altro, EuroQCS-Italy, sarà fornito dalla francese Pasqal): «I veri progressi dei prossimi anni non verranno dai sistemi quantistici isolati, ma dalla loro capacità di lavorare in sinergia con l’infrastruttura di calcolo tradizionale. Alcuni problemi saranno risolti dai supercomputer classici, altri dai processori quantistici, ma la maggior parte richiederà una collaborazione continua tra le due tecnologie». L’integrazione non è un semplice potenziamento hardware, ma un cambio di paradigma.

Anche per questo le prospettive nel quantum computing restano attualmente enormi e le aziende, le università e i governi stanno fortemente investendo per lo sviluppo in questo campo, che potrebbe in futuro rivoluzionare la crittografia (cybersicurezza), l’elaborazione metereologica e geologica, la simulazione di nuovi materiali, così come potrebbe favorire la scoperta di nuovi farmaci e aumentare la capacità in tutti i settori medici. Ma anche in quello della chimica, dei semiconduttori, dei sensori (sensori quantistici), della finanza e persino in quello dell’intelligenza artificiale.

Intelligenza artificiale anch’essa presente al DAMA-Tecnopolo di Bologna con una delle sue prime piattaforme europee nominata IT4LIA AI Factory, che è stata inaugurata nel settembre scorso dalla vicepresidente della commissione europea, Henna Virkkunen, dalla ministra dell’Università e della Ricerca, Anna Maria Bernini, insieme al presidente della Regione Emilia-Romagna, Michele de Pascale, oltre ai rappresentanti delle istituzioni coinvolte nel progetto. 

Ed entro la fine dell’anno al Tecnopolo DAMA di Bologna si insedierà anche la quattordicesima università dell’Onu nel mondo, ma la prima in Italia, centrata su big data e intelligenza artificiale per la gestione del cambiamento dell’habitat umano. Si chiama Unu-AI e studierà l’impatto dell’uomo sull’ambiente, per anticipare le conseguenze del cambiamento climatico. Fino a quando non saranno ultimati i lavori Unu-AI sarà ospitata dall’Alma Mater, la più antica università dell’Occidente. Anche per questo l’Onu ha scelto il capoluogo emiliano, ma in particolare per la possibilità di accedere al supercalcolo garantito dall’eccellenza dei supercomputer del Tecnopolo.

Vincenzo Basili