Il Nobel per la fisica ai maghi della meccanica quantistica

Nella prima metà del secolo scorso li chiamavano “esperimenti mentali”. I padri della fisica quantistica – Heisenberg, Bohr, Schroedinger, Pauli – li usavano per spiegare le straordinarie proprietà dei quanti e i loro paradossi. Erano esperimenti mentali perché nessuno pensava di poterli riuscire mai a realizzare concretamente: le tecnologie dell’epoca impedivano la manipolazione dei singoli quanti, soprattutto a causa del problema della decoerenza, che si verifica allorquando il mondo quantistico – regno dell’infinitamente piccolo – si scontra con il mondo della materia, quello delle scale più o meno ordinarie a cui siamo abituati. A partire dagli anni ’60, alcuni fisici hanno invece iniziato a dimostrare che questi esperimenti potevano essere realizzati, che singoli sistemi quantistici possono essere manipolati. È stato l’inizio di una nuova era per la meccanica quantistica, uscita dal mondo delle possibilità e delle teorie per entrare nell’epoca della verificabilità. E poiché il premio Nobel viene attribuito solo a chi dimostra sperimentalmente la realtà di una teoria, solo oggi il francese Serge Haroche e l’americano David J. Wineland hanno potuto condividere il premio più ambito, che allo stesso tempo certifica ufficialmente la realtà della fisica quantistica.

Il problema della decoerenza

Prendiamo ad esempio il famoso gatto di Schroedinger. È l’esperimento mentale più famoso in questo campo, perché rappresenta un paradosso apparentemente impossibile da dimostrare. La fisica quantistica vorrebbe che, senza il ruolo attivo di un osservatore, all’interno di una scatola chiusa un gatto sarebbe al contempo vivo e morto, perché solo quando l’osservatore aprirà la scatola metterà in moto il meccanismo quantistico che determinerà le sorti del gatto. Serge Hatoche ha dimostrato che Schroedinger aveva ragione. D’accordo, nessun gatto è stato coinvolto, ma nel 1996 Haroche e il suo gruppo all’Ecole Normale Supérieure è riuscito a osservare direttamente la decoerenza prodotta dalla sovrapposizione di stati quantistici. Non è stato solo un passo storico nella dimostrazione dei fondamenti della fisica, ma anche una verifica importantissima nel lavoro per la costruzione dei futuri computer quantistici.

È noto infatti che le proprietà della meccanica quantistica – il principio di indeterminazione, l’entanglement tra particelle, l’effetto tunnel ecc. – funzionano solo nella scala dei quanti: dimensioni, cioè, inferiori a quella atomica. Quando più atomi si aggregano insieme per formare le molecole e quindi la materia che conosciamo e con cui interagiamo quotidianamente, le proprietà quantistiche vengono meno. È il problema della decoerenza. Se non lo risolviamo, non riusciremo ad avere computer quantistici. E a noi servono i computer quantistici. I computer tradizionali hanno dei limiti nella velocità di computazione e di stoccaggio delle informazioni. Per quanto piccoli possano diventare i microchip, a un certo punto diventeranno talmente piccoli da essere soggetti alle proprietà della fisica quantistica, e non funzioneranno più. Abbiamo quindi bisogno di chip a scala atomica che sfruttino queste proprietà, invece di esserne limitati.

Come lavorare sui singoli quanti

Un modo per riuscirci sfrutta quello che in gergo tecnico si chiama “cavity QED”, in italiano “elettrodinamica quantistica delle cavità”, e sfrutta un principio tale per cui è possibile rallentare le emissioni di fotoni – i quanti elettromagnetici – da parte degli atomi. Come fare? Non è proprio un gioco da ragazzi: un singolo atomo va collocato in una cavità dotata di pareti riflettenti, capaci di vincolare la lunghezza d’onda dei fotoni emessi. Poi, attraverso l’impiego di laser, è possibile modificare il comportamento dei fotoni. In questo modo si ottiene ciò che i padri della fisica quantistica potevano solo sognare: studiare singoli fotoni, e soprattutto l’interazione tra essi e la materia (gli atomi). Il primo esperimento del gruppo di Haroche, nel 1983, ha permesso la prima osservazione di un’emissione spontanea di un fotone da parte di un atomo. Da allora i progressi sono stati enormi, fino ai più recenti che hanno permesso di operare su porte logiche attraverso fotoni e atomi, trasformati in “qubit”, gli analoghi quantistici dei bit. Le porte logiche quantistiche sono il corrispettivo di quelli che nei computer che utilizziamo normalmente chiamiamo switch, usati per distribuire l’informazione nei sistemi di reti. Per usare gli switch nell’informatica quantistica, bisogna creare dei circuiti di qubits. E proprio questo è l’ambito di ricerca esplorato dai lavorio pionieristici di David J. Wineland al National Institute of Standards and Technology (NIST).

Wineland – già vincitore nel 2007 della National Medal of Science e nel 2010 della Benjamin Franklin Medal per la fisica – ha dimostrato per la prima volta con la sua équipe nel 1995 la possibilità di impiegare ioni intrappolati per usarli nell’informatica quantistica. Singoli ioni (uno ione non è altro che un atomo elettricamente carico) possono dare vita a porte logiche quantistiche universali, tramite le quali costruire un computer a “qubit”. Il meccanismo dell’intrappolamento degli ioni risolve un po’ tutti i problemi che oggi impediscono di costruire un computer quantistico. Innanzitutto, il loro tempo di coerenza supera i dieci minuti: ciò vuol dire che prima di perdere le loro proprietà quantistiche a causa dell’interazione con la materia ordinaria hanno tutto il tempo di fungere da RAM a qubit. In secondo luogo, gli ioni intrappolati permettono di interagire sui singoli qubit, attraverso l’impiego di un fascio laser focalizzato. Nel 1978 Wineland per la prima volta dimostrò la fattibilità di questa soluzione impiegando un laser per raffreddare gli ioni a temperature vicine allo zero assoluto. E da allora tutto è diventato più facile.

I problemi da risolvere oggi sono ancora molti. Ma il premio Nobel assegnato a Haroche e Wineland dimostra che la comunità scientifica internazionale crede che i due siano sulla buona strada. Pur lavorando con équipe diverse e in due continenti diversi, su progetti dissimili tra loro, i due fisici con le loro pionieristiche ricerche nei decenni scorsi hanno risolto il più grande dei problemi della meccanica quantistica, quello della manipolazione dei singoli sistemi quantistici. Oggi siamo capaci di lavorare su singoli ioni, su singoli fotoni, di osservare la loro interazione, di effettuare il teletrasporto quantistico di atomi, e di verificare il paradosso dell’entanglement, che non faceva dormire la notte Albert Einstein, e che invece negli anni ’80 fu dimostrato proprio attraverso un esperimento non più mentale, ma reale, utilizzando singoli quanti. Non solo ciò ha dimostrato oltre ogni dubbio che l’interpretazione classica della meccanica quantistica, quella di Niels Bohr, la cosiddetta “interpretazione di Copenhagen”, è giusta. Ma ha dimostrato anche che tra qualche anno, al massimo tra qualche decennio, i computer quantistici saranno realtà. E allora le prospettive possibili diventeranno, semplicemente, fantascientifiche.