Fisica Quantistica e la sua rivoluzione: dalle scoperte subatomiche alle applicazioni pratiche

La fisica quantistica è una teoria fondamentale della fisica che si occupa dello studio del comportamento della materia e dell’energia a livello microscopico. È la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e di tutte le loro interazioni viste sia come fenomeni ondulatori sia come fenomeni particellari, a differenza della fisica classica o newtoniana, basata sulle teorie di Isaac Newton, che vede la luce solo come onda e l’elettrone solo come particella. Questa inaspettata e controintuitiva proprietà della realtà fisica, chiamata dualismo onda-particella, è il principale spartiacque tra le teorie sviluppate fino al XIX secolo nella descrizione degli atomi e delle molecole. La sua nascita risale al primo quarto del XX secolo, quando i fisici Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Heisenberg, Young e altri, iniziarono a esplorare tali fenomeni in scala atomica e subatomica. Studiare i fenomeni “in scala atomica e subatomica” è un’espressione che fa riferimento alle dimensioni delle particelle che compongono la materia, come gli atomi, i neutroni, i protoni, gli elettroni e altre particelle molto piccole che non possono essere osservate direttamente con gli strumenti tradizionali (come il microscopio ottico), ma richiedono l’uso di tecniche avanzate come il microscopio a effetto tunnel o il microscopio elettronico a trasmissione. La scala atomica e subatomica è caratterizzata da interazioni tra le particelle che si manifestano in modi molto differenti rispetto a quanto osserviamo nella vita quotidiana. Queste interazioni possono dare luogo a comportamenti “sorprendenti”, come l’entanglement quantistico, la sovrapposizione di stati quantistici e l’effetto tunnel. Sul livello microscopico, quindi, le leggi della fisica classica non si mostravano più sufficienti per fornire una descrizione completa dei fenomeni osservati, ed è da questo limite che nascono le leggi della fisica quantistica. Quest’ultima, insieme alla teoria della relatività, rappresenta una sorta di evoluzione rispetto alla fisica classica e, gradualmente, porta alla nascita della cosiddetta fisica moderna.

In particolare, la teoria quantistica dei campi, (in inglese Quantum field theory o QFT) rappresenta una delle maggiori conquiste della fisica teorica moderna, in quanto ha permesso di sviluppare una comprensione più completa della natura e delle proprietà delle particelle fondamentali e delle loro interazioni. È la teoria fisica che unifica la meccanica quantistica, la teoria dei campi classica e la relatività ristretta. In questo contesto, gli oggetti fondamentali sono i campi, entità fisiche rappresentate in ogni punto dello spaziotempo, mentre le particelle sono considerate come stati eccitati di un punto del campo. Grazie alla teoria quantistica dei campi, gli scienziati sono stati in grado di comprendere e descrivere fenomeni microscopici con una precisione senza precedenti, come ad esempio la descrizione delle proprietà delle particelle subatomiche e dei processi di decadimento.

Inoltre, la teoria quantistica dei campi ha ampliato il campo di applicazione della fisica, aprendo nuove strade di ricerca in discipline come la cosmologia, la teoria delle stringhe, la fisica delle particelle, la fisica della materia condensata, lo studio di materiali come i superconduttori e i superfluidi, è servita per comprendere i fenomeni di trasporto nei sistemi quantistici a bassa temperatura. Inoltre, è stata applicata alla teoria dei solidi, alla fisica delle interazioni forti e alla fisica nucleare, alla teoria dei buchi neri e alla gravità quantistica. La teoria quantistica dei campi rappresenta una delle maggiori rivoluzioni scientifiche della storia, e le sue applicazioni hanno avuto un impatto profondo sulla società moderna, portando a numerose scoperte tecnologiche che hanno rivoluzionato diversi settori, come la medicina, le comunicazioni, le nanotecnologie e le energie rinnovabili. In questo articolo, esploreremo l’evoluzione della fisica quantistica, dalla sua nascita fino alle sue applicazioni contemporanee, analizzando le diverse scoperte che hanno permesso di sviluppare tecnologie avanzate in vari campi della scienza e della tecnologia.

La fisica quantistica: la nascita generata da dei limiti

La fisica quantistica affonda le sue radici nell’elettromagnetismo del XIX secolo e nella meccanica classica, ma la sua nascita è attribuita al momento in cui i fisici Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e Werner Heisenberg scoprirono che la fisica classica non spiegava alcuni fenomeni come il corpo nero e l’effetto fotoelettrico. Questo ha portato, nella prima metà del XX secolo, allo sviluppo di una nuova fisica, completamente diversa da quella conosciuta fino ad allora, attraverso una teoria ottenuta unendo ed elaborando un insieme di altre teorie formulate a cavallo del XIX e del XX secolo, basate sul fatto che alcune grandezze a livello microscopico, come l’energia o il momento angolare (che, semplificando molto, è la grandezza che descrive la rotazione di un oggetto intorno a un asse di rotazione), possono variare soltanto di valori detti “quanti”. Da qui la nascita della nuova teoria chiamata “teoria dei quanti”, appunto. Tuttavia, la fisica quantistica è diventata completa solo con la scoperta del principio di indeterminazione di Heisenberg nel 1927, che afferma che non è possibile conoscere simultaneamente la posizione e la quantità di movimento di una particella subatomica. Il principio di indeterminazione ha portato alla comprensione che l’universo a scala atomica è fondamentalmente diverso da quello a scala macroscopica, ed è stato considerato un punto di svolta nella fisica. Nel corso del XX secolo, la fisica quantistica è continuata a evolversi, con formulazione di nuove teorie, come la teoria quantistica dei campi, la relatività generale e la teoria delle particelle elementari.

In parole molto semplici, la meccanica quantistica fornisce una descrizione matematica dei fenomeni subatomici ed è fondamentale per comprendere il funzionamento del mondo a livello microscopico, ovvero a scala atomica e subatomica, il che a sua volta ha implicazioni importanti per la comprensione più ampia dell’universo.

Il dualismo onda–particella

Nel 1900, lo studio dello spettro della radiazione di corpo nero portò Max Planck ad avanzare l’ipotesi che l’interazione tra il campo elettromagnetico e la materia avvenisse mediante l’emissione o l’assorbimento di pacchetti d’energia, chiamati quanti. Nel 1905, Einstein spiegò l’effetto fotoelettrico, implicando che la luce fosse composta da quanti di luce, o fotoni. Questa spiegazione implicava una descrizione ondulatoria secondo la teoria di Maxwell e una descrizione particellare secondo la teoria di Einstein. Il concetto di dualismo onda-particella rappresentò una svolta nella fisica classica, il quale fu dimostrato dall’esperimento della doppia fenditura ideato da Thomas Young nel 1803. Young dimostrò che la luce si comporta come un’onda e confutò la teoria corpuscolare di Isaac Newton utilizzando un fascio di raggi luminosi per colpire uno schermo in cui erano presenti due fori, o fenditure, molto piccoli, che diventavano due sorgenti omogenee. Young poi mise uno schermo che raccoglieva la luce proveniente dai due fori e vide nettamente delle frange chiare e scure, molto simili alle onde del mare provenienti da due sorgenti diverse.

Nel corso del ventesimo secolo, tale esperimento è stato applicato a un’unità di misura infinitamente più piccola, che rientra nel campo della meccanica quantistica. Ad essere fatto passare attraverso una o due fessure sono stati fasci di elettroni o fotoni, particelle infinitamente piccole di cui sono formate la materia e la luce, con l’obiettivo di verificare se il comportamento della materia e della luce segue quello dell’onda o quello dei corpuscoli (uno dei grandi dubbi messi in contraddizione da Einstein e dalla fisica quantistica). Applicando un fascio di tali particelle lungo una fenditura singola, si è verificata una distribuzione identica a quella delle particelle, lasciando supporre che le particelle (anche quelle piccolissime) si comportino appunto da particelle fisiche L’esperimento della doppia fenditura è stato ripreso poi da Richard Feynman ed è stato importante per la comprensione della natura ondulatoria della luce. Infine, la meccanica quantistica nacque dalle numerose evidenze sperimentali che all’inizio del ventesimo secolo risultavano inspiegabili secondo la fisica classica.

Inoltre, all’inizio del XIX secolo, gli atomi erano considerati gli elementi costitutivi fondamentali della materia.  A cavallo tra il XIX e il XX secolo, anche lo studio dell’effetto fotoelettrico: fenomeno che si manifesta con l’emissione di particelle elettricamente cariche da parte di un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di varia frequenza: sparando un fascio di elettroni attraverso la doppia fenditura, si verifica un fenomeno del tutto nuovo: la distribuzione non è uniforme ma presenta puntini di concentrazione, come farebbe l’effetto di particelle che arrivano a destinazione sul secondo pannello; nello stesso tempo, però, la distribuzione mostra una concentrazione maggiore o minore seguendo il pattern di distribuzione delle onde, come se le particelle alla fine seguissero una distribuzione di natura ondulatoria. Viene così provata in maniera sperimentale la dualità onda-corpuscolo della materia, ossia la constatazione che a volte la materia si comporta da particella (comportamento corpuscolare), altre volte da onda (comportamento ondulatorio) suggerendo che, durante l’interazione con la materia, la radiazione elettromagnetica potesse esprime sia un comportamento ondulatorio che corpuscolare. Questi e successivi esperimenti, come quello famoso del 1974, una ulteriore rivisitazione dell’esperimento della doppia fenditura condotto da un gruppo di scienziati dell’Università di Bologna, composto da Pier Giorgio Merli, Gianfranco Missiroli e Giulio Pozzi, hanno portato alla scoperta della dualità onda-corpuscolo della materia e della luce, che ha rappresentato una svolta nella fisica classica e ha aperto la strada a nuove teorie e scoperte nel campo della fisica quantistica.

La rivoluzione quantistica: tra implicazioni filosofiche, misteri della realtà e il suo contributo nella tecnologia

Come suggerisce la storia delle sue origini, la fisica quantistica ha rivoluzionato la comprensione della natura, della materia, dell’energia, della luce, del tempo e dello spazio. Ha anche implicazioni filosofiche e psicologiche, perché mette in discussione il ruolo dell’osservatore, la causalità, la realtà. Werner Heisenberg, infatti, lo stesso fisico che ha elaborato il principio di indeterminazione, (che è anche lo stesso al quale Walter White ruba il nome per creare il suo nickname, nella serie Breaking Bad) sosteneva che la realtà non esiste fino a che non viene osservata. Celebre, infatti, è la citazione a lui attribuita (riproposta in quasi ogni articolo che tratta la fisica quantistica, e chi siamo noi per non citarla):

“L’idea di un mondo reale oggettivo le cui parti più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono le pietre o gli alberi, indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno … è impossibile“, pare abbia ha scritto.

Come non menzionare poi l’antimateria, uno dei concetti rivoluzionari nati nei primi trent’anni del ‘900, stesso periodo in cui si gettarono le basi della fisica moderna. Fu prevista teoricamente dal fisico britannico Paul Dirac nel 1928 circa, ritenuto uno dei padri della fisica quantistica, che si impegnava a formulare la teoria che conciliasse i principi della meccanica quantistica con quelli della relatività ristretta. L’antimateria, secondo le sue teorizzazioni, è una forma di materia composta da antiparticelle, ovvero particelle che hanno la stessa massa delle particelle normali della materia, ma con carica elettrica opposta. Ad esempio, l’antiparticella dell’elettrone è il positrone, che ha una carica positiva invece che negativa. Quando una particella e la sua corrispondente antiparticella si incontrano, si annichilano (si distruggono) a vicenda, producendo energia sotto forma di fotoni. Nello specifico, quando un elettrone e un positrone si incontrano, essi si annichilano, producendo due fotoni gamma (fotoni ad alta energia) che si muovono in direzioni opposte. In altre parole, l’elettrone e il positrone si distruggono a vicenda e la loro massa viene convertita in energia, sotto forma di luce. È stata osservata sperimentalmente per la prima volta nel 1932 dal fisico americano Carl Anderson, che scoprì il positrone mentre studiava i raggi cosmici. Da allora, l’antimateria è stata oggetto di numerosi studi teorici ed esperimenti, e viene utilizzata in varie applicazioni, come la medicina nucleare e la ricerca sulle particelle elementari. Lo studio dell’antimateria rappresenta una delle sfide più importanti della fisica moderna, perché l‘annichilazione tra particelle e antiparticelle è un evento molto raro in quanto, normalmente, queste particelle si incontrano e poi si annullano immediatamente, senza avere l’opportunità di interagire con altre particelle della materia ordinaria. Al momento, l’esistenza dell’antimateria è verificabile dal fatto che viene studiata in molti esperimenti di fisica delle alte energie. Gli esperimenti di fisica delle alte energie sono condotti utilizzando acceleratori di particelle, macchine in grado di accelerare particelle subatomiche (come protoni o elettroni) a velocità molto vicine a quella della luce, facendole collidere tra di loro o con un bersaglio. Questi esperimenti hanno permesso di studiare le proprietà dell’antimateria e di verificare alcune delle previsioni teoriche sulla sua natura. Inoltre, gli esperimenti di fisica delle alte energie sono stati utilizzati per studiare altre interazioni fondamentali tra particelle subatomiche, come la forza nucleare forte e debole, la gravità, e l’interazione elettromagnetica

Il nocciolo della questione è che comunque viene difficile “empatizzare” o immedesimarci verso la teoria quantistica perché solleva molte domande fondamentali sulla natura stessa della realtà e sulla nostra capacità di (ri)conoscerla. A differenza della fisica classica, la teoria quantistica ammette che le particelle subatomiche non hanno una posizione o una velocità definite fino a quando non vengono osservate o misurate. Inoltre, la teoria quantistica ammette l’esistenza di fenomeni come l’entanglement e la sovrapposizione, in cui le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente. Queste sono affermazioni di realtà a cui noi siamo poco abituati, effettivamente. Molti fisici e filosofi hanno cercato di comprendere la natura della realtà in base alle implicazioni quantistiche. Alcuni, anche con una certa deriva “new-age”, sostengono addirittura che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana, dando alle nostre menti un ruolo e una collocazione nell’ontologia (la scienza dell’essere in quanto essere) dell’universo. Tuttavia, questa idea è ancora oggetto di dibattito e non è stata confermata da prove sperimentali. Per i comuni mortali, comunque, la fisica quantistica rimane una delle teorie più misteriose, intriganti, difficili e affascinanti della scienza moderna. Nonostante questa aura misteriosa, si può imparare a conoscerla tramite l’applicazione delle leggi fisiche applicate ai campi tecnologici e scientifici che influenzano la vita di tutti i giorni.

L’impatto della meccanica quantistica sulla moderna tecnologia

A parte i dibattiti, le discussioni, l’ontologia dell’universo, i diversi stati delle particelle nello stesso momento, il filone “quantistica-mente”, l’antimateria e via di seguito, è un dato di fatto che la meccanica quantistica abbia avuto un impatto significativo sulla tecnologia moderna: è alla base di molte scoperte e applicazioni tecnologiche, come il laser, il transistor, il computer, la crittografia, la medicina nucleare, la nanotecnologia, e l’energia. Nel campo dell’informatica, la fisica quantistica ha portato alla creazione dei computer quantistici, che utilizzano i principi della meccanica quantistica per eseguire calcoli complessi in tempi molto ridotti rispetto ai computer tradizionali. I computer quantistici sono ancora in fase di sviluppo, ma già sono in grado di risolvere problemi computazionali molto complessi, come la simulazione dei processi chimici e la fattorizzazione di numeri molto grandi. La fisica quantistica ha anche portato a nuove tecniche di crittografia, come la crittografia quantistica, che utilizza i principi della meccanica quantistica per garantire la sicurezza delle comunicazioni. La crittografia quantistica, infatti, sfrutta la proprietà di una particella subatomica di cambiare il proprio stato quando viene osservata, il che impedisce ai potenziali intercettatori di accedere ai dati trasmessi. In campo medico, ha portato alla creazione di strumenti di imaging medico avanzati, come la tomografia a emissione.

Cerchiamo, quindi, di entrare un po’ nel dettaglio, con alcuni esempi di settori in cui la fisica quantistica influisce concretamente sulla realtà quotidiana:

1. La medicina: la fisica quantistica ha contribuito allo sviluppo di nuove tecniche di imaging medico, come la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica nucleare (NMR), che permettono di diagnosticare malattie e lesioni in modo non invasivo. La PET, in particolare, è una tecnica di imaging medico che consente di visualizzare l’attività metabolica dei tessuti e degli organi del corpo umano, fornendo informazioni preziose per la diagnosi e il trattamento di molte malattie, come ad esempio il cancro. La tecnica della PET utilizza isotopi radioattivi che emettono positroni, le particelle antimateria. Quando un positrone incontra un elettrone nel tessuto corporeo, i due si annichilano e producono due fotoni gamma che vengono rilevati da un’apparecchiatura speciale, chiamata camera PET. L’immagine risultante fornisce informazioni sulla distribuzione spaziale dell’isotopo radioattivo nel corpo, che a sua volta fornisce informazioni sulla funzione e la struttura del tessuto. La tecnologia necessaria per la produzione di isotopi radioattivi e per la rilevazione dei fotoni gamma è stata sviluppata grazie alla fisica quantistica e alle sue applicazioni nella fisica delle particelle. La PET è diventata una tecnica di imaging medico molto importante per la diagnosi e il trattamento di molte malattie, e ha aperto la strada a nuove applicazioni come la tomografia a emissione di fotoni singoli (SPECT), che utilizza isotopi che emettono fotoni, anziché positroni.
2. Tecnologie di comunicazione: la fisica quantistica ha permesso lo sviluppo di tecnologie di comunicazione sicure e criptate come la crittografia quantistica. Questa tecnologia utilizza le proprietà della meccanica quantistica per creare un sistema di comunicazione che non può essere intercettato o decodificato da terzi, per garantire la sicurezza della comunicazione tra due parti. In particolare, si basa sul principio dell’indeterminazione di Heisenberg, questo significa che se un’informazione viene trasmessa in forma di particelle quantistiche (ad esempio fotoni), qualsiasi tentativo di intercettazione della comunicazione comporterebbe una perturbazione del sistema, che sarebbe rilevata dalle due parti che comunicano. In questo modo, la crittografia quantistica consente di garantire la sicurezza della comunicazione senza la necessità di utilizzare algoritmi di crittografia complessi, che potrebbero essere violati attraverso metodi di hacking. È stata utilizzata in applicazioni come la comunicazione militare e bancaria, ma potrebbe avere anche applicazioni future nella comunicazione quantistica tra satelliti e nella sicurezza delle reti di computer.
3. Nanotecnologie: la fisica della materia condensata ha aperto la strada allo sviluppo di nanotecnologie. Un esempio di applicazione delle nanotecnologie è rappresentato dai materiali superconduttori ad alta temperatura critica. Questi materiali sono stati scoperti negli anni ’80 e ’90 del secolo scorso e hanno rivoluzionato il campo della superconduttività, che è una delle branche della fisica della materia condensata. La superconduttività è un fenomeno che si verifica quando alcuni materiali sono raffreddati a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), e diventano completamente privi di resistenza elettrica. Questo significa che una corrente elettrica può fluire attraverso questi materiali senza perdite di energia, il che rende questi materiali estremamente utili in applicazioni come la produzione di campi magnetici intensi, la trasmissione di energia elettrica senza perdite e l’imaging a risonanza magnetica. Gli sviluppi delle nanotecnologie hanno permesso di sintetizzare materiali superconduttori ad alta temperatura critica aprendo la strada a nuove applicazioni pratiche della superconduttività, come la produzione di magneti ad alta potenza per le apparecchiature mediche, le centrali elettriche e i treni ad alta velocità.
4. Energie rinnovabili: la fisica quantistica ha permesso lo sviluppo di tecnologie di produzione di energia nucleare anche le tecnologie di cattura e stoccaggio di carbonio per mitigare il cambiamento climatico, che possono essere utilizzate per produrre energia pulita e rinnovabile, per lo sviluppo di tecnologie di produzione di energia pulita, come i pannelli solari e le celle a combustibile, che utilizzano la conversione di energia quantistica per produrre elettricità.

Computer e Teletrasporto quantistici

Tra le due vere rivoluzioni che la fisica quantistica promette, ci sono sicuramente il computer quantistico (che non è del tutto utopia) e il Teletrasporto quantico (assolutamente utopistico, per come lo vogliono far intendere i media).

Come già accennato, il computer quantistico è un tipo di computer che sfrutta le proprietà quantistiche della materia, come la sovrapposizione e l’entanglement, per effettuare calcoli e risolvere problemi in maniera molto più veloce di un computer classico. Mentre un computer classico utilizza bit che possono assumere solo due valori (0 o 1) per rappresentare l’informazione, un computer quantistico utilizza qubit (bit quantistici) che possono esistere in sovrapposizione di più stati. Ciò significa che un qubit può essere 0 e 1 contemporaneamente, e ciò consente di effettuare calcoli parallelamente su un numero enorme di combinazioni di stati, portando a una notevole accelerazione del calcolo rispetto ai computer classici. Attualmente, i computer quantistici sono ancora in fase di sviluppo e la loro realizzazione è molto complessa a causa della delicatezza e della sensibilità dei qubit ai disturbi esterni. Tuttavia, ci sono diverse aziende e istituzioni di ricerca che stanno investendo molto nella costruzione di computer quantistici. Nonostante ci siano stati progressi sperimentali rapidi e impressionanti, la maggior parte dei ricercatori crede che “un computer quantistico a prova di guasti [sia] ancora un sogno piuttosto lontano“.

Lo stato dell’arte è, più o meno, questo:

L’IBM nel 2019 ha presentato un prototipo commerciale di un computer quantistico, l’Ibm Q System One. Il 24 ottobre 2019 Google afferma ufficialmente che un computer quantistico ha completato un calcolo da 10.000 anni in 200 secondi, ma alcuni scienziati ritengono che una rivoluzione del computer quantistico equivalente a quella del computer classico richiederà “immensa ingegneria, e probabilmente anche ulteriori intuizioni.” A gennaio 2020, IBM annuncia il Quantum Volume maggiore mai ottenuto, su un processore quantistico a 28 qubit, confermando il trend di raddoppio annuale della potenza dei suoi computer quantistici. Nell’Aprile 2020, QuTech lancia Quantum Inspire, il primo processore quantistico basato su “spin qubits” controllati dalla tecnologia lock-in.

Un importante risultato, ottenuto dalla startup canadese Xanadu nell’ambito del quantum computing è il computer quantistico basato sui fotoni come qubit, che è stato in grado di risolvere un problema matematico in soli 36 microsecondi, mostrando una netta superiorità rispetto ai computer tradizionali. Questo risultato, pubblicato su Nature, è stato considerato una forma di “supremazia quantistica”.

Il miracolo tecnologico di Xanadu però è considerato molto più “semplice”, rispetto al computer usato un paio di anni prima Google, La macchina di Google però ha un limite: per lavorare ha bisogno di una temperatura vicina allo zero assoluto (meno 270 gradi). Il computer quantistico di Xanadu, invece, ha lavorato a temperatura ambiente. Tuttavia, molte importanti aziende tecnologiche, come IBM, Google, Microsoft e Intel, stanno investendo ingenti risorse nella ricerca sul quantum computing, e l’Unione Europea ha deciso di investire un miliardo di euro nei prossimi dieci anni. Il quantum computing resta comunque il punto focale per la tecnologia del futuro anche se ci sono ancora molte sfide da affrontare.  Pare comunque che l’avvento di un computer quantistico su larga scala potrebbe essere solo questione di tempo.

Una piccola digressione va fatta sul Teletrasporto quantistico di cui ognuno di noi, almeno una volta, avrà sentito parlare perché il termine “teletrasporto”, scelto per indicare queto fenomeno, è altisonante, spesso fuorviante e porta a situazioni immaginifiche errate, motivo per il quale i media fanno leva sul termine, abusandone. Insomma, non è quello che tutti vorremmo che fosse. No, non possiamo ancora usare il teletrasporto per andare da nessuna parte. Almeno per il momento. Il teletrasporto quantistico è, in realtà, un fenomeno della fisica quantistica che permette di trasferire informazioni da un luogo all’altro senza che la informazione in sé attraversi lo spazio tra i due luoghi. In altre parole, il teletrasporto quantistico non comporta il trasferimento di materia o energia, ma solo dati. Siccome noi umani, empiricamente, non siamo fatti della stessa sostanza dei sogni (purtroppo) ma di materia, non possiamo ancora tele trasportarci.

Il teletrasporto quantistico si basa sul fenomeno della “spooky action at a distance”, che avviene quando due particelle subatomiche sono legate tra loro in modo che lo stato di una particella influisca istantaneamente sullo stato dell’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Per realizzare il teletrasporto quantistico, si crea uno stato di entanglement (intreccio) tra due particelle subatomiche, una a ciascuna estremità del trasferimento. Poi, si misura lo stato della particella che si desidera teletrasportare e si invia questa informazione al destinatario tramite un canale di comunicazione classico. Il destinatario utilizza questa informazione per modificare lo stato della particella a lui più vicina in modo da riprodurre lo stato originale della particella teletrasportata. Nello specifico, quello che afferma la scoperta fatta da chi ha studiato questo fenomeno è che è possibile studiare e controllare particelle che si trovano in uno stato di entanglement, ovvero che sono connesse a distanza, così che quello che succede a una di esse determini quello che accade all’altra, anche se si trovano a grandi distanze. Quello dell’entanglement, è uno dei fenomeni più dibattuti della meccanica quantistica. Prevede che due particelle distanti ma correlate possano scambiarsi, immediatamente, informazioni sul loro stato in una forma che richiama ciò che noi conosciamo come “teletrasporto”.

Anche se la ricerca sulla teletrasportazione quantistica sembra essere un campo di studio abbastanza teorico e filosofico, ha in realtà molte applicazioni pratiche e ha aperto la strada a potenti e velocissimi computer quantistici, a sistemi di misurazione ancora più precisi e a metodi di crittografia quantistica ancora più sicuri. Grazie alla teletrasportazione quantistica, la trasmissione di informazioni attraverso la condivisione di particelle entangled può essere utilizzata per creare una rete di comunicazione sicura, collegare nodi di un computer quantistico, creare chiavi di crittografia quantistica sicure e inviolabili e simulare sistemi quantistici complessi. Inoltre, la teletrasportazione quantistica ha il potenziale per avere importanti implicazioni nella progettazione di nuovi materiali, nella ricerca medica e in altre applicazioni scientifiche. Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger hanno vinto il Nobel per la Fisica 2022 per i loro studi nella scienza dell’informazione quantistica.

Alcune tra le ricerche scientifiche più recenti e importanti sull’argomento sono:

• Teleportation System toward a Quantum Internet, pubblicato nel 2020 sul Physical Review Journal;
• Win-field quantum key distribution over a 511 km optical fibre linking two distant metropolitan areas, pubblicato nel 2021 sulla rivista Nature Photonics;
• Qubit teleportation between non-neighbouring nodes in a quantum network, pubblicato su Nature, nel 2022;
• Teleportation Fidelity Improvement with Quantum memory, pubblicato, nel 2022, sulla rivista Optica publishing group

 

L’importanza della fisica quantistica nella nostra comprensione del mondo evidenzia il fatto che ci ha portato a scoperte sorprendenti e tecnologie innovative. Rappresenta una chiave di volta nella nostra comprensione del mondo fisico, agevolando scoperte sorprendenti e tecnologie innovative che non possono essere sottovalutate, poiché ci offrono una visione profondamente diversa della realtà che ci circonda, svelando il potenziale di un universo sconosciuto e ancora da esplorare. Continuare a studiare e applicare i principi della fisica quantistica può portare a progressi ancora più significativi nel futuro, in grado di migliorare la vita di tutti noi e di avere un impatto positivo sulla nostra società e sull’intero pianeta. “Se non riesci a capire la fisica quantistica, non sei solo. Ma se pensi di averla capita, probabilmente sei completamente fuori strada.” Questa frase, attribuita allo scienziato e divulgatore Brian Greene, è attualissima e mette in luce il fatto che la fisica quantistica è una teoria molto complessa e contraddittoria rispetto alle nostre intuizioni quotidiane, e che il suo studio richiede un approccio molto diverso rispetto a quello della fisica classica. Nella frase, viene provocatoriamente invocata la dose di consapevolezza e incertezza che permea il mondo quantistico, e questo “so di non sapere” evita di cadere nella trappola dell’interpretazione ingenua o dogmatica dei fenomeni.

• What Does Quantum Theory Actually Tell Us about Reality? (scientificamerican.com)