La rivoluzione dei quantum-bit

Il premio Nobel per la Fisica annunciato dall’Accademia delle Scienze di Svezia è andato a John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis: i tre accademici rispettivamente dell’Università della California-Berkeley, della Yale University e dell’Università della California-Santa Barbara, sono stati premiati per i "loro esperimenti sui chip che hanno mostrato la fisica dei quanti in azione". Il commento di Claudio Giannetti, docente di Fisica della materia condensata alla Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali, sede di Brescia.

Il mondo della meccanica quantistica è molto strano e complesso e ha delle proprietà incredibili, per esempio quelle per cui gli oggetti si comportano simultaneamente in due modi diversi. Tecnicamente, si dice che esistono due stati che possono coesistere contemporaneamente. Ma normalmente si pensa che queste proprietà siano osservabili solo in singoli atomi o su scale spaziali piccolissime.

Una vera e propria rivoluzione tecnologica e concettuale c'è stata con la scoperta che queste proprietà possono manifestarsi anche in sistemi macroscopici, in veri e propri circuiti elettrici. È quanto è successo grazie alla scoperta dei tre ricercatori che hanno vinto il Premio Nobel, che hanno dimostrato che è possibile usare dei veri e propri circuiti elettrici che hanno le stesse proprietà di, per esempio, singoli atomi, singoli elettroni o materia su scale spaziali piccolissime. Questi circuiti devono essere però fatti di materiali superconduttori, quindi raffreddati a temperature molto basse, affinché si comportino come sistemi quantistici.

Questo non è solo un cambio di paradigma concettuale, cioè la meccanica quantistica vale, si applica, si utilizza, se ne vedono le conseguenze su sistemi macroscopici, ma ha anche aperto a tutta la rivoluzione del quantum computing. Questi circuiti elettrici possono essere utilizzati come quantum bit, che sono l'analogo quantistico del bit classico. Mentre il bit classico può assumere due valori, zero o uno, e quindi codificare in linguaggio binario qualsiasi informazione, dal punto di vista quantistico un singolo quantum bit può assumere non solo i valori zero e uno, ma qualsiasi tipo di valore intermedio. Si parla di sovrapposizione di stati e quindi il singolo q-bit contiene una quantità di informazioni molto più ricca e potenzialmente tanti q-bit, accoppiati l'uno con l'altro, possono essere utilizzati per risolvere problemi che un computer classico non può risolvere.

Questi problemi hanno interesse dal punto di vista della protezione dei dati (crittografia quantistica) e di tutti i problemi di ottimizzazione, cioè trovare una funzione che ottimizza alcuni parametri, con applicazioni soprattutto nel campo della finanza, dell'ottimizzazione di portfolio in ambito finanziario, problemi di logistica, problemi che riguardano il traffico, l'automotive, e molti altri. Questa è la rivoluzione che sta arrivando coi quantum computer che trovano le loro fondamenta nella scoperta fatta dai vincitori del Nobel. Un filone di ricerca molto attuale è quello che cerca di ottenere proprietà simili non solo a basse temperature e in sistemi superconduttori, ma anche in sistemi diversi ad alte temperature. E questo è quello di cui ci occupiamo anche nei laboratori iLamp dell’Università Cattolica, in cui si cerca di capire in che modo sfruttare le proprietà quantistiche di materia su scale macroscopiche, ma anche a temperatura molto elevata.

Foto NobelPrize.org