A febbraio, a Parigi, si è svolta la cerimonia di apertura dell’Anno Internazionale della Scienza e delle Tecnologie Quantistiche presso la sede dell’Unesco. Un evento importante che conta la partecipazione attiva di ben quattro vincitori di Premi Nobel per la Fisica, oltre a tanti altri importanti esponenti del settore. Perché proprio nel 2025?
Perché è il centenario dalla formulazione della meccanica quantistica. L’Unesco promuove quindi questa iniziativa per sfruttare la ricorrenza allo scopo di incrementare la consapevolezza pubblica sull’importanza della scienza quantistica e delle sue applicazioni.
La meccanica quantistica è la teoria fisica, confermata sperimentalmente in svariati contesti, che ha portato a invenzioni come il laser e il transistor, determinanti per lo sviluppo tecnologico della seconda metà del secolo scorso.
A partire dalla fine del secolo scorso si è assistito ad una nuova rivoluzione (inizialmente concettuale e poi anche tecnologica) con la nascita della teoria quantistica dell’informazione, che ha fornito un ponte tra la meccanica quantistica e l’informatica tradizionale studiando come la codifica e l’elaborazione di informazione possano essere realizzate utilizzando sistemi quantistici.
Questo nuovo punto di vista sfrutta proprietà quantistiche come la sovrapposizione e in particolare l’entanglement, che caratterizza il comportamento di sistemi quantistici composti da più sottosistemi con l’esistenza di correlazioni che non hanno un corrispettivo nei sistemi fisici classici.
Tutto ciò ha portato alla formulazione di protocolli di comunicazione completamente nuovi, quali il teletrasporto quantistico e i sistemi crittografici quantistici, e di nuove modalità di calcolo. Nell’ambito dello sviluppo di queste nuove tecnologie – note come tecnologie quantistiche – il settore della comunicazione quantistica risulta il più avanzato dal punto di vista applicativo e ha già fornito ad esempio dispositivi per protocolli quantistici di distribuzione di chiavi crittografiche e per generazione di numeri casuali disponibili sul mercato.
Per quanto riguarda il calcolo, è stato dimostrato che si possono formulare algoritmi quantistici con prestazioni superiori rispetto agli analoghi metodi tradizionali di calcolo. Gli algoritmi quantistici noti finora sono in grado di risolvere in modo efficiente alcuni tipi di problemi, quali ad esempio la fattorizzazione di numeri interi in fattori primi. Ciò ha già suscitato interesse e allo stesso tempo preoccupazione in ambito crittografico, in quanto l’esistenza di computer quantistici in grado di fattorizzare grandi interi in modo efficiente comprometterebbe la sicurezza degli attuali sistemi crittografici a chiave pubblica che vengono comunemente utilizzati in vari ambiti, ad esempio per gli acquisti online che tanti utenti fanno quotidianamente. Lo sviluppo ulteriore degli algoritmi quantistici potrebbe inoltre portare a potenziali applicazioni in diversi campi, dalla logistica e più in generale dall’ottimizzazione di processi su larga scala, alla modellizzazione di molecole complesse e al miglioramento delle tecniche di intelligenza artificiale.
Per questo motivo aziende leader nel settore, da Ibm a Google per citarne qualcuna, stanno dedicando risorse ingenti per la realizzazione di computer quantistici.
Sfide future
Le sfide da affrontare per costruire un computer quantistico sono molteplici: è estremamente difficile riuscire a manipolare e far interagire in modo controllato i singoli sistemi quantistici, contrastando allo stesso tempo le inevitabili sorgenti di disturbo provenienti dall’ambiente circostante. Al momento non è ancora chiaro quale sarà il tipo di piattaforma fisica che permetterà di ottenere i computer migliori, si stanno esplorando soprattutto le potenzialità di atomi, ioni intrappolati, sistemi superconduttivi e sistemi ottici ma la partita è completamente aperta.
Altri campi di importante sviluppo nell’ambito delle tecnologie quantistiche riguardano la possibilità di sfruttare fenomeni quantistici per realizzare sistemi di misura e sensori che raggiungano precisioni superiori ai sistemi tradizionali. Questi nuovi sensori quantistici possono fornire applicazioni di grande interesse che spaziano dalla diagnostica medica ai sistemi di navigazione e di posizionamento, dalla magnetometria al monitoraggio di movimenti tettonici.
Le tecnologie quantistiche sono ora al centro dell’interesse non solo di aziende operanti in svariati settori produttivi ma anche dei piani strategici di sviluppo di tanti sistemi governativi a livello Europeo e mondiale.
L’Anno Internazionale della Scienza e delle Tecnologie Quantistiche dell’Unesco è quindi un’ottima occasione per diffondere al grande pubblico idee e nuovi sviluppi con una miriade di eventi e iniziative di divulgazione in tutto il mondo.
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*Chiara Macchiavello è professore ordinario di Fisica Teorica della Materia presso l’Università degli Studi di Pavia.
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