Computer quantistici.2

Computer quantistici
Un Computer quantistico utilizza i fenomeni tipici della Fisica quantistica come la
sovrapposizione degli effetti e l’Entanglement. Al posto dei convenzionali bit, unità di
informazione binaria indicate con 0 ed 1, si usano i “ qubit “ codificati dallo stato quantico di una
particella o di un atomo. Lo spin di una particella ha due possibili orientamenti “ su “ o “giù” che
corrispondono ai valori + ½ e - ½ e quindi possono codificare informazioni binarie.
Potenzialmente le particelle subatomiche hanno possibilità interessanti poiché possono
presentarsi anche in una sovrapposizione di stati quantistici ampliando le combinazioni binarie.
Però la manipolazione controllata di atomi e particelle, la loro reciproca comunicazione e la
stesura di algoritmi adatti allo scopo non sono obiettivi facili nel calcolo quantistico. Vi sono nuove
branche della Scienza che possono convergere su questi temi : Nanotecnologie, elettronica
molecolare, fisica delle particelle, spintronica, logica quantistica. Il primo ricercatore ad
ipotizzare un Computer quantistico è stato, nel 1982, il Fisico statunitense Feynman (1918-1988),
premio Nobel per la Fisica nel 1965 per avere elaborato l’ Elettrodinamica quantistica, in
particolare un metodo per calcolare la probabilità di transizione di uno stato quantistico. (1)
Richard Feynman
Nel 1985 David Deutsch, Fisico israeliano nato ad Haifa nel 1953, ne dimostrò la validità.
Deutsch è Docente presso il Centro di computazione quantistica nell’Università di Oxford. E’
considerato un pioniere dei Computer quantistici avendo formulato una descrizione della
macchina di Turing (compuder ideale) quantistica. Ha ricevuto il premio Dirac nel 1998 ed il
premio “ Edge of Computation “ nel 2005.
Nel 1995 il Fisico informatico statunitense Peter Shor ( New York 1959) ha inventato l’
Algoritmo di fattorizzazione quantistico “ nella risoluzione della riduzione dei numeri interi in
numeri primi . Shor è Docente di Matematica applicata al MIT di Boston, ha conseguito il Premio
Nevanlinna nel 1994, il Premio Godel nel 1999 e la MacArthur Fellowship.
Nel 1998 il Fisico Bruce Kane propose la costruzione reale di un calcolatore quantistico che
utilizzava atomi di Fosforo su un sottilissimo strato di Silicio spesso appena 25 nanometri (vedi
figura)
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Bruce Kane
Computer di Kane
- Nel 2001 la IBM realizza un elaboratore quantistico a 7 qubit composto da una sola molecola con
7 spin nucleari.
- Nel Gennaio 2005 Fisici dell’Università dell’Arizona riescono a misurare le variazioni subite dalla
lunghezza d’onda di un atomo a contatto con una superficie.
- Nel Febbraio 2005 viene realizzata la “ Correlazione quantistica “ ( Entanglement quantistico)
tra atomi artificiali.
- Nel Dicembre 2005 gli scienziati dell’ “ Istituto di ottica quantistica “ dell’Università di Innsbruck
realizzano il primo qubyte ( 8 qubit ).
- Nel 2006 Ricercatori dell’ Università di Harvard e del Georgia Institute of Technology riescono a
trasferire informazione quantistica tra memorie quantiche, da atomi a fotoni e viceversa.
- Nel 2006 Peter Zoller dell’Università di Innsbruck scopre un metodo per usare molecole polari
criogeniche per rendere stabili le memorie quantistiche.
- Il 13 Febbraio 2007 la Compagnia canadese D-Wave System mostra in pubblico quello che
ritiene il primo Computer quantistico a 16 qubit, chiamato Orion.
- Nell’Aprile 2008 Ricercatori dell’ Università dell’ Utah dimostrano la possibilità di creare una
porta logica quantistica con l’uso di una fibra ottica.
- Nel 2009 viene realizzato dal National Institute of Standards and Technology il primo processore
quantistico a 2 qubit
- Nel 2011 la D-Wave System annuncia il primo Computer quantistico commercializzato, D-Wave
One, basato su 128 qubit.
- Nell’Aprile 2012 gli Scienziati del Max Planck Institute, Dipartimento di Ottica quantistica,
riescono a creare la prima rete quantica funzionante.
- Nel Maggio 2013 Google e NASA presentano il D-Wave Two, Computer quantistico a 512 qubit,
nel Quantum Intelligence Lab. in California.
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(1) Richard Feynman nacque l’11 Maggio 1918 a Manhattan da una famiglia ebraica di origini
russe. Il padre era un venditore di uniformi, stimolò sempre fin dalla giovinezza di Richard, la
curiosità verso il sapere proponendogli letture di carattere scientifico, indicandogli i limiti della
Scienza. Feynman studiò a fondo sull’Enciclopedia Britannica e durante gli anni del Liceo
Scientifico era già capace di dimostrare padronanza assoluta delle basi di Matematica proponendo
personali e nuovi sviluppi di particolari strumenti applicativi dedicati al Calcolo differenziale ed alle
Funzioni trigonometriche. I Diagrammi di Feynman e gli Integrali di Feynman sono passati alla
Storia ed hanno costituito, per Feynman, “ la balestra in un mondo in cui tutti erano armati di
arco e frecce “.
Richard Feynman aveva molteplici interessi nel campo della Scienza, in particolare Chimica,
Fisica, Biologia, Elettronica. Conseguì la Laurea ed il Dottorato (Ph.D) in Fisica al MIT,
Massachussets Institute of Technology, di Princeton dove insegnava Albert Einstein. Partecipò al
Progetto Manhattan per lo sviluppo della Bomba atomica. Dopo la guerra mondiale ottiene la
Cattedra di Fisica alla Cornell University e ricomincia a studiare su un metodo per calcolare le
probabilità di transizione da uno stato quantistico ad un altro, sviluppando un nuovo formalismo
per la Fisica quantistica che lo condusse a formulare l’Elettrodinamica quantistica(2), che gli valse
il Nobel per la Fisica nel 1965.
Un diagramma di Feynman(3), Anno mondiale della Fisica 2005. Feynman alla Cornell University
A partire dagli anni cinquanta fu Docente di Fisica al California Institue of Technology. Le
sue Lezioni, tra il 1962 e 1964, sono state raccolte in una serie di Volumi, apprezzate da una
generazioni di Fisici (io e Aldo compresi). Alle doti di Fisico affiancava un senso dell’umorismo fuori
dal comune e molti aneddoti li raccolse in due pubblicazioni : “ Sta scherzando, Mr. Feynman “ e
“ Che ti importa cosa dice la gente? “ . Aveva passione per la musica e per le Arti figurative
(dipinse ritratti femminili). Amava definirsi Fisico, Insegnante, cantastorie, suonatore di Bongo
Feynman è ritenuto il padre delle Nanotecnologie, nel 1959 scrisse “ There’s plenty of room at
the bottom “ in cui dimostra la possibilità di manipolazione diretta degli atomi nella sintesi
chimica. Feynman è considerato l’ispiratore dei “ Computer quantistici “ essendo stato il primo ad
ipotizzarne la possibilità realizzativa. Gli è stato dedicato un asteroide, 7495 Feynman. Muore a 69
anni per una rara forma di tumore, liposarcoma.
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Richard Feynman ha scritto tantissime opere, alcune tradotte in italiano :
La Fisica di Feynman, Zanichelli 2001 ; Il Piacere di scoprire, Adelphi 2002
4 Volumi in cofanetto, Zanichelli, 2007 :
Volume 1 : Meccanica, Radiazione, Calore
Volume 2 : Elettromagnetismo e Materia
Volume 3 : Meccanica quantistica
Volume 4 : Risoluzione di problemi di Fisica
Il moto dei pianeti intorno al Sole, lezione di R.Feynman, Zanichelli 1997
Vita e avventure di uno scienziato curiioso, Zanichelli 1988
Il senso delle cose, Adelphi 1986
Le lettere di Richard Feynman, Adelphi 2006
QED : La strana teoria della luce e della Materia, Adelphi
Quantum Electro-Dynamics, Perseus Pubblishing 1998
Opere di Feynman esposte al Campus del California Technology Institute
(2) L’Elettrodinamica quantistica ( Quantum Electro-Dynamics, QED) è la Teoria quantistica del Campo
Elettromagnetico. La QED descrive tutti i fenomeniche coinvolgono le particelle cariche interagenti per
mezzo della forza elettromagnetica, ma include anche la teoria della “ Relatività ristretta di Einstein “ .
(3) Nei Diagrammi di Feynman le particelle sono rappresentate con linee, un punto in cui le particelle si
intersecano è chiamato vertice di interazione. Il fotone (mediatore dell’interazione elettromagnetica) si
indica con una linea ondulata. I bosoni (interazione nucleare debole) si indicano con linee tratteggiate. I
gluoni (interazione nucleare forte) si indicano con una linea a molla. Leptoni, Adroni e Quark si indicano
con linee continue
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Il qubit
Benjamin Schumacher è un Fisico teorico statunitense, ha conseguito il Ph.D. presso l’Università
di Austin in Texas, lavora nell’ambito della Teoria dell’informazione quantica. Schumaker ha
coniato il termine “ qubit “ che è il corrispondente del bit nell’Informatica quantistica.
Benjamin Schumaker
Peter Zoller
Peter Zoller è nato a Innsbruck il 16 Settembre 1952, è Docente all’Università di Innsbruck nel
Dipartimento di Ottica quantistica, si occupa di Fisica atomica e Informatica quantistica. Ha
pubblicato lavori pionieristici nel campo della Fisica dello stato solido e della Computazione
quantistica. Nel 2013 ha ricevuto il Premio Wolf per la Fisica.
Peter Zoller
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D-Wave one
L’11 Maggio 2011 la Società D-Wave System, canadese, presenta il primo ed unico esemplare
di Computer quantistico venduto per 10.000 Dollari, il D-Wave one, dotato di un processore a 128
qubit che deve funzionare a -271 gradi Celsius (2 gradi Kelvin). La D-Wave System viene fondata da
Geordie Rose nel 1999 e si occupa esclusivamente di progettazione e produzione di componenti
per la Computazione quantistica. La D-Wave System ha fondato un’Accademia di ricerca su “
Quantum Computing “ cui partecipano diversi centri di ricerca : University of Toronto, University
of Twente, University of Erlangen, Universitè de Sherbrooke, Jet Propulsion Laboratory di
Pasadena, Chalmers University of Technology. La D-Wave System ha sede in Burnaby, Canada, ed
ha uffici in Virginia, Palo Alto (California) ed a Vienna.
Il primo prototipo di Computer quantistico, denominato “ Orion “, è stato presentato il 13
Febbraio 2007 presso il Computer History Museum in Mountain View, California e disponeva di
un processore a 16 qubit, doveva essere raffreddato fino a pochi centesimi di grado sopra lo zero
assoluto (-273 °C ). Nel Novembre dello stesso anno la D-Wave presentava un modello migliorato
che conteneva un processore a 28 qubit prodotto dai laboratori NASA JET PROPULSION di
Pasadena, California. Nel Giugno 2010 D-Wave presenta un processore a 128 qubit (vedi figura)
che sarà montato nel Computer D-Wave one.
Processore quantistico 128 qubit,
Geordie Rose
Raffreddamento a – 271 °C dell’Orion
Un gruppo di Ricerca indipendente, capigruppo Matthias Troyer e Daniel Lidar, ha operato test di
controllo su D-Wave one e non ha trovato aumento di velocità di calcolo rispetto ai Computer
tradizionali. I due Fisici sono scienziati dell’ETH di Zurigo e del Quantum Computation Center di
Pasadena (California), hanno provato D-Wave one ed hanno dimostrato che un normale
Computer digitale lo surclassa di 15 volte proprio nella risoluzione di problemi per i quali i
Computer D-wave sono stati progettati. I Computer quantistici usano le leggi della Fisica subatomica. In particolare la Sovrapposizione di stati quantici e l’ Entanglement quantistico.
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D-Wave Two
Il 19 Maggio 2012 la D-Wave System presenta il D-Wave Two, Computer quantistico con un
processore a 512 qubit (vedi figura ). A Marzo 2013 gruppi di ricercatori dell’Istituto di Fisica di
Londra hanno rilevato, seppure indiretta, l’evidenza di entanglement quantistico nei circuiti DWave. A Maggio 2013 Catherine McGeoch, consulente della D-Wave, pubblica una comparazione
tra D-Wave Two ed un Computer tradizionale, CPLEX, ed il primo risulta 3600 volte più veloce però
rispetto alla risoluzione di un particolare problema specifico per il quale D-Wave Two è stato
progettato, il CPLEX è un generico computer.
A Maggio 2013 la NASA e Google annunciano
l’utilizzo di D-Wave Two in un laboratorio di intelligenza artificiale quantica, appositamente
progettato e costruito da Ames Research Center di Mountain View, California, laboratori NASA.
D-Wave Two , Processore quantistico 512 qubit
Mathias Troyer, Fisico dell’Istituto federale svizzero di Technologia (ETH), agli inizi del 2014 ha
pubblicato un articolo su “ Science “ in cui dimostra che test specifici sui Computer D-Wave Two
non verificano la potenza di calcolo dichiarata. Il parametro in questione è il “quantum speed up “.
Troyer ed i suoi collaboratori hanno confrontato il D-Wave con un Computer tradizionale ed hanno
misurato il q.s.u. che indica come aumenta il tempo per risolvere un problema via via che
aumentano le dimensioni del problema stesso. Daniel Lidar, Direttore e fondatore del Center for
Quantum Information Science & Technology, Direttore del Lockheed Quantum Computation
Center, famoso per le sue ricerche ed i controlli su sistemi quantistici e sulla computazione
quantistica, contemporaneamente ed indipendentemente da Troyer, ha realizzato test di
comparazione sui D-Wave. Il risultato dei test effettuati da Troyer e Lidar è perentorio ed
inequivocabile : non è emersa alcuna prova di quantum speed up positivo da parte dei Computer
D-Wave.
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D-Wave Three
Il 20 Agosto 2015 viene presentato il D-Wave three, computer quantistico che opera con un
processore a 2048 qubit di cui 1152 abilitati (il resto dei qubits potrà esserlo in futuro) e 1097
realmente utilizzati. Nel report della Compagnia, D-Waves dichiara, contrariamente ai precedenti
report, che il quantum speedup non è obiettivo di questo Computer. Tutti i computer quantistici
della D-Wave System hanno avuto sempre critiche da diversi studiosi e ricercatori di tutto il
mondo, che hanno peraltro criticato tutti i computer quantistici : già nel 2007 il Professor Umesh
Vazirani, Docente a Berkeley presso Università della California ed uno dei fondatori della teoria
sulla complessità quantistica, pubblicava un articolo “ Reasons to be Sheptical about D-Wave’s
claims “ in cui manifestava le sue fondate perplessità sui computer quantistici :
“ Il dispositivo D-Wave, pur essendo un computer quantistico, ha la potenza di uno smartphone ”
Umesh Vazirani, Direttore del Berkeley Quantum Computation Center
Nel 2008 il Professore Wim van Dam, Docente all’Università della California (Santa Barbara)
così scriveva : “ Al momento non è possibile dire se il computer quantistico D-Wave sia
equivalente ad un computer classico. L’unica cosa che posso dire è “caveat emptor “, espressione
latina che sta per “ attenti al compratore “ , che negli Stati Uniti significa che poiché il venditore
ha più informazioni, su un prodotto, del compratore, sarà quest’ultimo ad evidenziare gli eventuali
difetti di ciò che ha comprato.
Nel Maggio 2011 la rivista Nature forniva i requisiti che avrebbe dovuto avere un dispositivo
per essere impiegato nei computer quantistici e quelli della D-Wave System non li rispettavano,
soprattutto per quanto riguarda l’Entanglement.
Nel Febbraio 2012 il Professore Scott Aaronson, Docente al Massachussets Institute of
Technology, dichiarava il suo scetticismo verso i computer quantistici D-Wave, dopo avere visitato
la fabbrica relativa, autonominandosi “ Capo degli scettici verso D-Wave “. In sostanza egli
affermava che la presentazione del prototipo Orion nel 2007 era stata soltanto una operazione di
Marketing senza supporti tecnici affidabili sulle sue reali possibilità di calcolo quantistico.
In Maggio 2013 Aaronson ribadiva il suo scetticismo verso i computer D-Wave ricordando che i
test effettuati da parte dei ricercatori di ZURIGO su un computer D-Wave a 128 qubits dava un
“quantum speedup “ di 3 mentre, sullo stesso algoritmo, un comune computer tradizionale
mostrava un qsu di 15.
Nel Gennaio 2014 ricercatori dell’Università della California (Berkeley) in collaborazione con
IBM, dichiarano che i Computer D-Wave non sono “quantistici” dopo averne testato un modello.
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Nel Marzo 2014 ricercatori dell’Università di Londra e dell’Università del Sud California
pubblicano test effettuati su computer D-Wave e concludono che “ possono considerarsi
quantistici anche se si riscontrano rilevanti eccitazioni termiche.
In Maggio 2014 ricercatori della D-Wave assieme a quelli di Google, Università Sud California,
Simon Fraser University, pubblicano un articolo in cui presentano esperimenti che confermano la
presenza di Entanglement nei qubits dei computer quantistici D-Wave.
In Giugno 2014 la rivista Science pubblica uno studio approfondito realizzato da ricercatori del
Swiss Federal Institute of Technology, diretti dal Prof. Matthias Troyer, sui computer D-Wave la
cui conclusione era che questi ultimi non producevano quantum speedup o comunque questo
era mascherato da errori e problemi delle macchine D-Wave e che lungo tutto l’arco dei test
effettuati non vi era alcuna “ evidenza quantica “.
La rivista Galileo il 7 Ottobre 2015 pubblica un articolo : “ Google, che fine ha fatto il
computer quantistico “ a cura di Anna Lisa Bonfranceschi, laureata in Biologia molecolare, Master
in comunicazione scientifica. L’autrice, che in realtà ha scritto l’articolo il 16 Ottobre 2013,
evidenzia come, a seguito della riduzione dei fondi federali statunitensi per la ricerca, il computer
quantistico D-Wave two, acquistato in Maggio 2013 da Google e NASA per il Quantum Artificial
Intelligence Lab presso il NASA Ames Research Center, non sia ancora operativo. Ciò è dovuto in
parte al fatto che la maggior parte del personale è in congedo forzato, in parte al fatto che il
computer lavora a bassissime temperature (vicino allo zero assoluto), il sistema di raffreddamento
è molto costoso e non viene interrotto per poterlo riavviare. Il ricercatore della NASA Lee Stone
afferma che il D-Wave sta solo sprecando energia. Google sostiene che gli scienziati stanno ancora
cercando di capire cosa possa fare la macchina e sintetizza : “ Siamo ancora all’inizio con il
computer quantistico “
Matthias Troyer
Troyer nasce a Linz (Austria) il 18 Aprile 1968 dove studia Fisica e riceve il Ph.D. nel 1994. Si
trasferisce per tre anni all’Università di Tokio dove si specializza in Fisica dello Stato solido, torna
all’Università di Zurigo come Assistente occupandosi di Fisica dei calcolatori. Nel 2000 è Docente
presso la Swiss National Science Foundation e nel 2002 diviene Docente di Informatica Fisica
presso ETH (Eidgenossische Technische Hochschule) prestigioso Politecnico Universitario di Zurigo.
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(*) Daniel Lidar
Daniel Lidar nasce a Gerusalemme nel 1968 ed ottiene il Ph.D. in Fisica nell’Università della
sua città natale con una Tesi sulle Caratterizzazioni strutturali dei sistemi disordinati. Nell’86 si
trasferisce negli Stati Uniti, si laurea a Berkeley in Chimica e successivamente in Matematica e
Fisica. E’ Docente di Chimica all’Università di Toronto dal 2000 al 2005. Dal 2005 passa
all’Università del Sud California dove ottiene la Cattedra di Ingegneria elettrica, Chimica e Fisica.
Dal 2000 al 2009 figura nei primi 20 autori nel campo della “ Quantum Computing “ . Nel 2009
è stato eletto Arbitro supervisore esterno della “ American Phisical Society “. Le sue ricerche
vertono su Elaborazione quantistica e relativi controlli. E’ autore ed editore di una pubblicazione
sugli errori quantistici. Ha studiato a fondo, nella elaborazione quantistica, il metodo per superare
il pericolo della “decoerenza quantica “ che genera rumori di fondo molto fastidiosi.
Lidar si è occupato, con diverse pubblicazioni, di algoritmi quantistici, simulazioni di Chimica
quantistica e Meccanica statistica. Attualmente è Direttore del “ Center for Quantum Information
Science & Technology “ (CQIST) all’interno della Università del Sud California, nonché Direttore del
“ Quantum Computation Center “, sinergia tra University of South California (USC) e l’Industria
Lockeed Martin, che si occupa prevalentemente di esplorare le possibilità potenziali della
Elaborazione quantistica adiabatica. Ricercatori e studenti dell’Istituto di Scienze dell’Informatica
della USC studiano teoricamente e sperimentalmente i sistemi D-Wave One and Two alle
bassissime temperature necessarie (pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto.
Il Prof. Daniel Lidar ha ottenuto numerosi brevetti nel campo dell’informatica quantistica ed ha
pubblicato numerosi articoli scientifici:
-
Methods for single qubit gate teleportation, 2006
Quantum Computation, 2007
Encoding and error soppression for superconducting quantum computers, 2007
Dressed qubit, 2008
Simulating spin glasses on a Quantum Computer, 2012
Towards fault tolerant adiabatic quantum Comput
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Il primo processore quantistico programmabile universale
(Le Scienze 16 nov 2009)
I Fisici ricercatori del National Institute of Standard and Technology (NIST)
hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di realizzare un processore
quantistico programmabile ed universale. Hanno messo a punto un’apparecchiatura
in grado di far girare in linea di principio un qualunque programma permesso dalla
Fisica quantistica.
“ E’ la prima volta che si riesce a dimostrare la possibilità di realizzare un
processore quantistico per più di un qubit “, ha commentato David Hanneke,
ricercatore del NIST (*) ed autore dell’articolo apparso in “ Nature Phisics “ . L’idea
è quella di collegare tra loro una serie di questi processori.
Attualmente gli ioni rappresentano alcuni dei sistemi fisici più promettenti per la
realizzazione di bit quantistici ( qubit ). Il processore del NIST si basa su due qubit
costituiti da due ioni di Berillio, mantenuti in trappole elettromagnetiche e
manipolati tramite laser ultravioletti. Gli stati quantistici dei due ioni sono posti in
uno stato di Entanglement e sovrapposizione dei valori 1 e zero, ciò rappresenta il
maggiore vantaggio dell’elaborazione dell’informazione nel mondo quantistico. Il
processore è in grado di svolgere 160 routine di elaborazione differenti sui due
qubit. Sebbene si tratti ancora di un numero piccolo, è grande a sufficienza per
potere conferire l’aggettivo di “ universale “ .
(*) Il NIST ( precedentemente National Bureau of Standards) è un organismo del Governo
federale degli Stati Uniti che si occupa della gestione delle Tecnologie, in collaborazione con
l’industria sviluppa standard, tecnologie, metodologie che favoriscano la produzione ed il
commercio. Il NIST ha il suo quartier generale a Gaithesburg nel Maryland, un laboratorio a
Boulder nel Colorado in cui lavorano scienziati, ricercatori, molti Fisici tra cui Phillips e Cornell
premi Nobel per la Fisica.
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Il Teletrasporto quantistico
Nel 1997 un gruppo di Fisici riuscì, per la prima volta a “ teletrasportare “ fotoni e, per
essere sicuri di avere avuto successo, furono distrutti i fotoni stessi. Nel 2003 un gruppo di
ricercatori dell’Università di Vienna ha ottenuto lo stesso risultato senza dover distruggere i fotoni
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