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Vi siete mai addentrati nell’affascinante mondo della meccanica e dell’informatica quantistica? Tra quantum, quantum bit (no, non ho appena scagliato un incantesimo, tranquilli!) e sistemi complessi, oggi cercheremo di comprendere le basi di una delle teorie scientifiche più avveniristiche di sempre, la fisica dei quanti. Lo sappiamo, sembra un argomento estremamente complicato (e in effetti un po' lo è), ma lo spiegheremo in modo semplice, così da gettare le basi per la comprensione dei computer quantistici!
Cos’è la meccanica quantistica
Richard Feynman, uno dei fisici e divulgatori scientifici più conosciuti e stimati del Novecento, nel 1965 disse: “penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica!”. Questa battuta, certamente ironica, racchiude bene le difficoltà che tutti noi abbiamo incontrato – o incontreremo – nell’affascinante viaggio alla scoperta di una scienza meravigliosa come la meccanica quantistica. Iniziamo subito!
La meccanica quantistica è quella teoria scientifica che ci aiuta a descrivere il comportamento della materia, quindi di tutti gli oggetti aventi una massa o occupanti uno spazio, della radiazione elettromagnetica, la propagazione dell’energia nello spazio, e di come queste interagiscono tra di loro. Per farlo, dobbiamo immaginare di rimpicciolire come Alice nel Paese delle Meraviglie fino al punto da poter osservare e comprendere come si condizionano o influenzano le minuscole unità che costituiscono tutto ciò che ci circonda e di cui siamo fatti.
La meccanica quantistica analizza il comportamento delle particelle elementari come gli atomi, gli elettroni o i fotoni. Comprenderla è difficile perché per buona parte del tempo ci appare controintuitiva, come se ad una scala così piccola le leggi fisiche con le quali siamo abituati a fare i conti non valessero più.
Perché nacque la meccanica quantistica
Quando tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento si cominciò a scoprire le particelle elementari che costituiscono la materia, le leggi della fisica classica, quella che generalmente studiamo a scuola, non furono più sufficienti. Per descrivere questo “nuovo microcosmo” fu necessario rivedere completamente il modo di fare ipotesi e postulati e pensare a una maniera originale per raccontare il comportamento di oggetti tanto minuscoli. I primi lavori della fisica moderna, alla quale appartiene la meccanica quantistica, nacquero quindi per una vera e propria necessità.
Cosa sono i quanti?
Alla base della meccanica quantistica ci sono proprio…I quanti! Il primo scienziato a parlarne fu il fisico tedesco Max Planck che, nel 1900, chiamò “quanti” le porzioni più piccole ottenibili dalla suddivisione dell’energia elettromagnetica. In parole molto semplici: nei sistemi fisici l’energia viene emessa oppure assorbita in pacchetti non scomponibili chiamati quanti. Il nome viene dal latino quantum, che vuol dire “quantità”. Si tratta della quantità di energia più piccola che può esistere singolarmente. Le scoperte che Max Planck fece nel mondo della fisica quantistica gli valsero il Premio Nobel nel 1918.
Le proprietà delle particelle quantistiche
L’aspetto più interessante della fisica quantistica riguarda il comportamento delle particelle elementari: analizziamolo brevemente.
Il principio di sovrapposizione
Uno dei fenomeni più curiosi appartenenti al mondo quantistico è senza dubbio quello della sovrapposizione quantistica. Quando descritte a livello microscopico, le particelle elementari vengono rappresentate come aventi non un solo stato (un valore) ma come l’insieme di tutti gli stati che queste possono occupare. Soltanto attraverso una misurazione istantanea, un’osservazione che possiamo immaginare come lo scattare una foto, possiamo selezionarne uno.
Per spiegarlo in maniera più semplice facciamo riferimento al celebre paradosso del Gatto di Schrödinger. Ne avete mai sentito parlare? L’esperimento mentale, ideato dall’omonimo fisico austriaco, intendeva descrivere l’impossibilità di rappresentare il funzionamento della meccanica quantistica se applicata a situazioni macroscopiche. Il gatto di Schrödinger, idealmente posto in uno stato di sovrapposizione quantistica, presentava contemporaneamente due condizioni: era vivo e morto. "Impossibile!", direte voi. Avete ragione, ma non quando al posto del gatto si prendono in considerazione particelle minuscole come, ad esempio, gli elettroni.
L’entanglement
La seconda delle proprietà enigmatiche delle particelle quantistiche è l’entanglement. Si verifica quando due particelle quantistiche sono così tanto correlate che diventa impossibile descriverle singolarmente. Due particelle entangled, cioè connesse, hanno necessità di essere studiate come fossero una sola entità, non più due sistemi diversi.
L’informatica quantistica è alla base di una rivoluzione tecnologica?
Tante scoperte fatte nel campo della fisica quantistica hanno trovato grande applicazione nel settore informatico a causa delle loro proprietà pressoché uniche. I bit, le unità fondamentali dell’informatica “tradizionale”, possono assumere solo due valori definiti, 0 o 1, rendendo il potenziale di calcolo degli strumenti molto grande ma comunque limitato. I quantum bit (o qubit), invece, unità fondamentali dell’informatica quantistica, non restituiscono soltanto il valore 1 o il valore 0 ma possono restituirli entrambi, in maniera casuale, con probabilità dell’uno o dell’altro risultato fissata dallo stato iniziale. Il comportamento quantistico dei qubit, rispondendo ai principi di sovrapposizione e dell’entanglement che abbiamo già visto, offre la possibilità di sviluppare tecnologie informatiche rivoluzionarie come i computer quantistici. Questi strumenti in futuro permetteranno lo svolgimento di operazioni complesse in maniera più efficiente rispetto ai computer tradizionali. C’è chi già la chiama “seconda rivoluzione quantistica”…E noi già non vediamo l’ora di scoprire di più!
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