c h e C o sa fa r e m o d ov e a n d i a m o o LI lt r M e IT i I Chi siamo Fisica Teorica Oltre il limite quantistico La teoria quantistica, un tempo accusata di imporre limiti assoluti alla conoscenza, sta invece espandendo la nostra visione del mondo lla fine del XIX secolo un’artista anonimo raffigurò un viaggiatore che raggiunge l’orizzonte dove il cielo incontra la Terra. In ginocchio su un paesaggio terrestre stilizzato, fa capolino nel firmamento per scrutare l’ignoto (si veda l’illustrazione a p. 93). L’immagine, nota come l’incisione di Flammarion, illustra la sete di conoscenza dell’essere umano. Le due possibili interpretazioni della metafora visiva corrispondono a due ben definite concezioni della conoscenza. O è raffigurata una barriera immaginaria che, nella realtà, la scienza è sempre in grado di attraversare, o è raffigurata una barriera reale che è possibile penetrare solo nella nostra immaginazione. Secondo quest’ultima interpretazione l’artista ci dice che siamo imprigionati in una bolla finita, fatta di oggetti ed eventi familiari. Possiamo aspettarci di capire il mondo di cui abbiamo esperienza diretta, ma l’infinito, all’esterno, è inaccessibile all’esplorazione e alla comprensione. La scienza può trascendere ciò che è familiare e rivelare nuovi orizzonti o può solo ricordarci che la nostra prigione è ineluttabile, che possiamo avere solo una conoscenza limitata della realtà e un’illimitata umiltà? La teoria quantistica è spesso citata come argomento risolutivo a favore della secon- 88 Le Scienze da visione. All’inizio i teorici adottarono un metodo di insegnamento intenzionalmente elusivo con gli studenti: «Se pensi di aver capito la teoria quantistica, allora non è così». «Non ti è permesso porre questa domanda». «La teoria è imperscrutabile, e così il mondo». «Le cose accadono senza una ragione o una spiegazione». I libri di testo e gli articoli di divulgazione sono pieni di affermazioni del genere. Eppure gli sviluppi degli ultimi decenni contraddicono queste caratterizzazioni. Nel corso degli anni i fisici hanno spesso ipotizzato che i limiti imposti dalla fisica quantistica avrebbero impedito di imbrigliare la natura, nel modo in cui la meccanica classica ci aveva abituati a fare. Nessuno di questi impedimenti si è mai concretizzato. Al contrario, la meccanica quantistica si è rivelata liberatoria. Le proprietà quanto-meccaniche dei sistemi fisici, quali sovrapposizione di stati, entanglement, discontinuità, casualità si sono dimostrate risorse, non limitazioni. Sfruttandole, sono stati progettati diversi dispositivi ingegnosi, dai laser ai microchip. E questo era solo l’inizio. Stiamo usando sempre di più i fenomeni quantistici per comunicazioni e sistemi computazionali imperscrutabilmente potenti dal punto di vista classico. Stiamo scoprendo nuove strade per imbrigliare la natura e addirittura creare conoscenza. 531 novembre 2012 Illustrazione di Goñi Montes di David Deutsch e Artur Ekert www.lescienze.it Le Scienze 89 c h e C o sa fa r e m o d ov e a n d i a m o o LI lt r M e IT i I Chi siamo David Deutsch è professore di fisica all’Università di Oxford e ideatore del concetto di computer quantistici universali. Artur Eckert è stato il pioniere dell’idea della crittografia, sfruttando il fenomeno dell’entanglement quantistico, quando era studente di Deutsch. Si divide tra Oxford, dove è professore di fisica, e Singapore, dove è direttore del Center of Quantum Technologies della National University di Singapore. In breve In passato, la meccanica quantistica è stata descritta come la teoria dei limiti, intendendo con questo che le nostre osservazioni sono inevitabilmente incerte, che la causalità domina il mondo e che la teoria stessa è così bizzarra da costringerci ad abbandonare l’idea che là fuori esista un mondo che la scienza può spiegare. Questi luoghi comuni sono radicati in dottrine filosofiche, quali il positivismo logico, molto popolari nel periodo in cui i fisici svilupparono e affinarono la teoria. In realtà la meccanica quantistica non impone alcun limite. Il mondo quantistico presenta una tale ricchezza e complessità da permettere lo sviluppo di nuove tecnologie di uso pratico e nuovi tipi di conoscenze. 90 Le Scienze Nel 1965 il cofondatore di Intel, Gordon Moore, predisse che il numero di transistor di un chip sarebbe raddoppiato ogni due anni. Nota come legge di Moore, la previsione si è rivelata corretta per più di mezzo secolo. Ma fin dall’inizio è suonata come un campanello di allarme. Se dovesse continuare a valere, si potrebbe prevedere quando i transistor raggiungeranno le dimensioni dei singoli atomi? E poi? Gli ingegneri entrerebbero nel regno dell’ignoto. Nella concezione tradizionale della fisica dei quanti, il principio di indeterminazione pone un limite che nessun progresso tecnologico potrà superare. Tanto più precisamente conosciamo alcune proprietà delle particelle, quale la posizione, tanto meno possiamo conoscerne altre, come la velocità. Quello che non si può conoscere non si può controllare. I tentativi di manipolare la materia microscopica si scontrano con l’ineliminabile casualità, con correlazioni impossibili dal punto di vista classico e con perdite di relazione di causa ed effetto. Ne segue un’inesorabile conclusione: la fine del progresso nella tecnologia dell’informazione è vicina. Oggi però i fisici esercitano un controllo sistematico sul mondo quantistico senza limitazioni. A dispetto del principio di indeterminazione, codifichiamo informazione in singoli atomi o particelle elementari con precisione, creando spesso funzionalità non realizzabili in altro modo. Ma come? Diamo un’occhiata all’unità di base del­ l’informazione come definita tradizionalmente: il bit. Per il fisico, il bit è un sistema fisico che può trovarsi in due stati, corrispondenti a due valori logici: sì o no, vero o falso, 0 o 1. Nei computer la presenza o l’assenza di carica sulle piastre di un condensatore rappresenta un bit. A livello atomico si possono usare due stati di un elettrone in un atomo, con 0 rappresentato dallo stato di minore energia, o fondamentale, e 1 dallo stato di più alta energia. Per manipolare questa informazione i fisici inviano impulsi di luce sull’atomo. Un impulso con una data frequenza, durata e ampiezza, noto come impulso p, manda lo stato 0 nello stato 1 e viceversa. I fisici possono regolare questa frequenza per manipolare due atomi interagenti, in modo che uno controlli ciò che accade sull’altro. Abbiamo quindi tutti gli ingredienti per costituire porte logiche a uno o due bit, i mattoni dei computer classici, senza ostacoli dovuti al principio di indeterminazione. Per capire ciò che rende possibile questo processo di miniaturizzazione dobbiamo avere chiaro che cosa stabilisce e non stabilisce il principio di indeterminazione. A un dato istante, alcune proprietà di un atomo o di un sistema fisico, le sue osservabili, possono essere «definite», cioè assumere solo un valore in un dato istante. Il principio di indeterminazione non esclude queste osservabili, ma stabilisce che non tutte le osservabili di un sistema fisico possono essere definite simultaneamente. Nell’esempio dell’atomo l’osservabile definita è l’energia: in entrambi gli stati 0 e 1, l’elettrone ha un’energia definita. Altre osservabili, quali posizione e velocità, sono invece non definite; l’elettrone è delocalizzato e la sua velocità assume diversi valori simultaneamente. Se si cercasse di immagazzinare l’informazione usando posizione e velocità, ci imbatteremmo, questa volta sì, in un limite quantistico. La risposta non è arrendersi, ma fare una scelta accurata delle osservabili da usare come bit per computer. Questa situazione ricorda una barzelletta in cui un paziente dice al dottore: «Sento un forte dolore quando faccio questo movimento». E il dottore: «Allora non lo faccia». Se alcune proprietà delle particelle sono indeterminate, c’è un semplice modo per aggirare il problema: non cercare di immagazzinare informazione usando queste proprietà. Usiamone altre, piuttosto. un valore definito a un altro ma anche da uno definito a uno non definito e viceversa. Mentre un impulso p scambia gli stati 0 e 1, un impulso della stessa frequenza ma con una durata o un’ampiezza dimezzata, noto come impulso p/2, manda un elettrone nella sovrapposizione di stati 0 e 1. Se cercassimo di misurare l’energia dell’elettrone nella sovrapposizione di stati, lo troveremmo o nell’energia dello stato fondamentale o nell’energia dello stato eccitato con uguale probabilità. In questo caso saremmo di nuovo di fronte a un problema di casualità, come obiettano i critici. Ma ancora una volta possiamo aggirare questo apparente ostacolo e creare nuove funzionalità. Invece di misurare le proprietà dell’elettrone in questa sovrapposizione di stati, lo lasciamo inalterato. Per esempio si inizia con un elettrone nello stato 0, si invia un impulso p/2, poi un secondo impulso p/2. Ora si misurano le proprietà dell’elettrone. Sarà nello stato 1 con una probabilità del 100 per cento (si veda il box a p. 92). L’osservabile è di nuovo definita. Per cogliere l’importanza di questa prova, si consideri la più basilare porta logica in un computer: NOT. Il suo output è la negazione dell’input: 0 va in 1, 1 va in 0. Si supponga di progettare la radice quadrata di NOT, cioè una porta logica che, applicata due volte all’input, lo neghi. Sarebbe un’operazione impossibile dal punto di vista classico. Eppure un impulso p/2 realizza questa porta logica «impossibile». I fisici hanno realizzato questa e altre porte impossibili dal punto di vista classico, usando qubit costituiti da fotoni, ioni intrappolati, atomi e spin nucleari (si veda Il calcolo quantistico con gli ioni, di Christopher R. Monroe e David J. Wineland, in «Le Scienze» n. 482, ottobre 2008). Sono i mattoni fondamentali dei computer quantistici. Oltre i bit Se tutto ciò che vogliamo fare è costruire un computer classico usando come mattoni fondamentali atomi invece che transistor, allora le osservabili definite sono tutto ciò di cui abbiamo bisogno. Ma la meccanica quantistica offre molto di più. Ci permette di usare in modo potente anche le osservabili non definite. Il fatto che le osservabili possano assumere molteplici valori nello stesso istante ne amplia enormemente le possibilità di impiego. Per esempio di solito l’energia è un’osservabile definita, ma la possiamo trasformare in una non definita. Oltre a essere nello stato fondamentale o in uno stato eccitato, un elettrone in un atomo può trovarsi in una sovrapposizione di stati, ovvero in entrambi gli stati simultaneamente. L’elettrone è ancora in uno stato ben definito ma invece di essere 0 o 1, è 0 e 1. Questo vale per ogni sistema fisico, ma un sistema in cui questi stati possono essere preparati, misurati e manipolati in modo affidabile è chiamato un bit quantistico, o qubit. Impulsi di luce possono far cambiare l’energia di un elettrone non solo da 531 novembre 2012 Oltre il calcolo classico Illustrazioni di Jen Christiansen Oltre l’indeterminazione Per risolvere un dato problema, i computer (classici o quantistici) eseguono una precisa sequenza di istruzioni: un algoritmo. Gli informatici quantificano l’efficienza di un algoritmo in base a quanto rapidamente il tempo di esecuzione aumenta, quando sono inseriti input via via più complessi da analizzare. Per esempio, usando un semplice algoritmo, insegnato alle scuole elementari, si possono moltiplicare due numeri a n cifre in un tempo che cresce come il quadrato del numero di cifre, n2. Invece il metodo più veloce conosciuto per l’operazione inversa – la fattorizzazione di un intero a n cifre in numeri primi – www.lescienze.it indeterminazione e decoerenza I presunti limiti del calcolo quantistico e come superarli La meccanica quantistica è spesso descritta come l’ostacolo principale al processo di miniaturizzazione dell’elettronica. Per fortuna, questo non è vero. I fisici infatti hanno imparato ad aggirare gli ostacoli da cui erano spaventati. In effetti, è proprio a livello quantistico che i computer raggiungeranno il loro vero potenziale, acquisendo una potenza di calcolo ben oltre quella delle macchine ordinarie. Principio di indeterminazione Decoerenza PROBLEMA: Il principio limita la precisione delle comuni misurazioni. Se si misura esattamente la posizione di una particella, questa inizierà a muoversi in un intervallo di velocità simultaneamente; se si misura la velocità in modo esatto non si conoscerà con esattezza la posizione della particella. Ciò rende queste variabili inaffidabili per immagazzinare informazioni. PROBLEMA: Le particelle che compongono un computer interagiscono con l’ambiente, dissipando l’informazione immagazzinata e alterando così il calcolo quantistico. Posizione: definita in modo esatto Le interazioni allontanano informazione dal sistema 0 1 Velocità: non definita in modo esatto 10 Posizione: non definita in modo esatto 11 Velocità: definita in modo esatto SOLUZIONE: Non tutte le misurazioni quantistiche sono soggette a queste limitazioni. Nei casi in cui posizione e velocità sono indeterminate, altre proprietà, quali l’energia, possono essere definite. Nei casi in cui l’energia è indeterminata, altre variabili potrebbero risultare adatte. L’orbitale della particella ha un’energia ben definita SOLUZIONE: Procedure di correzione degli errori possono compensare la decoerenza abbastanza a lungo per terminare una sequenza di calcolo. Per esempio i fisici possono distribuire l’informazione quantistica su più particelle ( a ) o codificarla in una struttura geometrica che è per natura meno soggetta a rumore di fondo ( b ). ● ● a Informazione 1 distribuita, resiste alla perdita di dati 0 01 01 b Codifica geometrica, protegge i dati Le Scienze 91 d ov e a n d i a m o c h e C o sa fa r e m o o LI lt r M e IT i I Chi siamo Oltre la matematica convenzionale La questione delle porte logiche «impossibili» illustra un fatto sorprendente della fisica computazionale. Quando si approfondisce la conoscenza della realtà si approfondisce anche la conoscenza nei regni astratti della logica e della matematica. La meccanica quantistica trasformerà que- 92 Le Scienze l o g i c a q ua n t i s t i c a ti fuori da un cappello magico: «Ecco i due interi il cui prodotto è N». Non basterebbe tutta la carta del mondo per spiegare come hanno ottenuto quei fattori. In questo modo, un computer quantistico fornirebbe la chiave per risolvere l’enigma matematico. Senza questa chiave, non ottenibile realisticamente da nessun processo classico, il risultato non sarebbe mai noto. Alcuni matematici già considerano il loro campo di studi una scienza empirica, ottenendo i loro risultati non solo attraverso attenti ragionamenti ma anche attraverso gli esperimenti (si veda Morte della dimostrazione, di John Horgan, in «Le Scienze» n. 304, dicembre 1993). La fisica quantistica porta questo approccio a un nuovo livello, rendendolo quasi obbligatorio. Impossibile… NOT! I computer quantistici non solo possono fare tutto ciò che fa un computer classico, ma possono anche eseguire operazioni esterne al dominio della logica classica. In questo esempio, due stati di energia di un elettrone in un atomo rappresentano 0 e 1 di un bit. In entrambi gli stati l’elettrone non ha una specifica posizione e velocità. È localizzato su regioni sferiche e ovali chiamate orbitali e la sua velocità assume una serie di valori diversi simultaneamente. Tuttavia i due stati hanno energie differenti, ed è l’energia che determina il valore del bit. NOT ordinario Per eseguire l’operazione di calcolo che inverte il valore di un bit, NOT, i fisici inviano sull’atomo un impulso di radiazione di una data frequenza, durata e intensità, noto come impulso π. Se l’elettrone era nello stato fondamentale 0 si troverà nello stato 1, e viceversa. Oltre la cattiva filosofia 0 π π 1 0 La radice di NOT La stessa procedura si può modificare per eseguire un’operazione apparentemente impossibile: la radice quadrata di NOT. Un impulso π/2, con un’ampiezza minore o una durata più breve dell’impulso π, manda l’elettrone dallo stato 0 o 1 in una combinazione, o sovrapposizione, dei due stati. Un secondo impulso π/2 riporta l’elettrone nello stato 1 (se partiva da 0) o stato 0 (se partiva da 1).Questa e altre nuove operazioni danno un potere immenso ai computer quantistici. 0 π 2 sti mondi proprio come ha già trasformato il mondo della fisica e dell’ingegneria. La ragione è che, nonostante le verità matematiche siano indipendenti dalla fisica, ne possiamo acquisire una conoscenza attraverso i processi fisici, e quali di queste possiamo conoscere dipende da quali sono leggi della fisica. Una prova matematica è una sequenza di operazioni logiche. Quindi ciò che è dimostrabile e ciò che non lo è dipende da quali operazioni logiche (come NOT) le leggi della fisica permettono di realizzare. Queste operazioni devono essere così semplici, dal punto di vista fisico, che si conoscono, senza prove ulteriori, gli elementi necessari per eseguirle e questa consapevolezza deve essere radicata nella nostra conoscenza del mondo fisico. Ampliando il ventaglio delle operazioni di cal- 0/1 π 2 1 colo elementari, per includere quelle come la radice quadrata di NOT, la fisica quantistica permetterà ai matematici di guardare oltre una barriera che un tempo si riteneva esistere nel mondo dell’astrazione. Potranno vedere e dimostrare verità che altrimenti sarebbero rimaste nascoste per sempre. Si supponga per esempio che la risposta a un problema insoluto dipenda dalla conoscenza dei fattori di un numero intero particolarmente grande N, così grande che, neanche se tutta la materia dell’universo fosse usata per costruire un computer classico che operasse per un tempo equivalente all’età dell’universo, sarebbe possibile fattorizzare. Un computer quantistico potrebbe eseguire facilmente questa operazione. Alla pubblicazione della soluzione, i matematici si troverebbero a citare i fattori, come tira- 531 novembre 2012 Corbis richiede un tempo che cresce esponenzialmente, approssimativamente come 2n. Ciò è considerato inefficiente. Fornendo nuove porte logiche, la meccanica quantistica rende possibili nuovi algoritmi. Un esempio è la fattorizzazione. Un algoritmo quantistico scoperto da Peter Shor nel 1994, all’epoca ai Bell Laborato­ ries, può fattorizzare un numero a n cifre in una serie di passaggi con un tempo di esecuzione che cresce solo come n2. Per altri problemi, come la ricerca di un elemento in una lunga lista, i computer quantistici offrono ancora vantaggi, forse meno rilevanti ma significativi. Non tutti gli algoritmi quantistici sono però così efficienti; molti non sono più veloci dei loro corrispettivi classici (si veda I limiti del computer quantistico, di Scott Aaronson, in «Le Scienze» n. 477, maggio 2008). Probabilmente la prima applicazione pratica dei computer quantistici non sarà la riduzione dei numeri in fattori ma la simulazione di altri sistemi quantistici, che richiede un tempo esponenzialmente lungo con i computer classici. Le simulazioni quantistiche potrebbero avere un enorme impatto in diversi settori, dalla scoperta di nuovi farmaci allo sviluppo di materiali. Gli scettici sulla reale praticità del calcolo quantistico citano il difficile problema di mettere in sequenza porte logiche quantistiche. A parte le difficoltà tecniche di lavorare a scale di un singolo atomo e un singolo fotone, il problema principale consiste nell’evitare che l’ambiente circostante alteri il calcolo. Questo fenomeno, chiamato decoerenza, è spesso presentato come un limite fondamentale del calcolo quantistico. Non è così. La teoria quantistica offre gli strumenti per correggere eventuali errori causati da decoerenza. Se le sorgenti di errore soddisfano determinati criteri, ai quali verosimilmente possono far fronte ingegnosi progettisti – per esempio nel caso di errori casuali che si verificano in modo indipendente su ogni qubit – i computer quantistici possono essere resi fault-tolerant, cioè operare in modo affidabile per un periodo di tempo arbitrariamente lungo. Se la meccanica quantistica apre a nuove tipologie di calcolo, perché i fisici hanno temuto che la teoria potesse limitare il progresso scientifico? La risposta è da cercare negli anni in cui fu introdotta la teoria. Una volta, durante un seminario, Erwin Schrödinger, autore dell’equazione su cui si basa la teoria quantistica, avvertì il pubblico che quanto stava per dire poteva sembrare insensato. Spiegò che quando affermava che la sua famosa equazione descriveva diversi stati di una particella, questi non «erano alternativi ma esistevano davvero simultaneamente». Casi di scienziati emeriti usciti dal seminato erano già noti, ma questo luminare, vincitore del Nobel nel 1933, stava semplicemente ponendo quella che doveva essere un’affermazione modesta: la sua equazione, per cui era stato insignito del premio, era una descrizione veritiera della realtà. Schrödinger sentì l’esigenza di mettersi sulla difensiva non perché avesse interpretato l’equazione in modo irrazionale, ma per il contrario. Come poteva una tale incontrovertibile affermazione essere considerata bizzarra? La causa era da cercarsi nel fatto che la maggioranza dei fisici dell’epoca si era lasciata irretire dalla cattiva filosofia: dottrine che ostacolavano la ricerca di conoscenza. Filosofia e fisica fondamentale sono così connesse, nonostante le rivendicazioni del contrario da entrambi le parti, che quando la principale corrente filosofica precipitò nei primi decenni del XX secolo, trascinò con sé parti del mondo della fisica. Le principali responsabili erano dottrine come positivismo logico («Se non è verificabile tramite esperimenti, non ha significato»), strumentalismo («Se le previsioni www.lescienze.it sono corrette, perché preoccuparsi delle loro cause?») e relativismo filosofico («Le enunciazioni non possono essere oggettivamente vere o false, solo legittimate o delegittimate da una particolare cultura»). Il danno maggiore derivò da ciò che avevano in comune: negazione del realismo, posizione filosofica di senso comune per cui il mondo fisico esiste e i metodi della scienza possono gettare luce su di esso. Fu in questo contesto che Niels Bohr sviluppò un’autorevole interpretazione della teoria quantistica che negava la possibilità di parlare di fenomeni come esistenti oggettivamente. Non aveva senso chiedersi quali valori assumessero le variabili fisiche quando non erano osservate (come nel mezzo di un calcolo quantistico). I fisici che, per natura, non riuscivano a non porsi domande, tentarono di non farlo. Molti continuarono a insegnare questo approccio. La più avanzata teoria nella più fondamentale delle scienze era ritenuta in contraddizione con l’esistenza stessa della verità, della ragione e della realtà fisica. Non tutti i filosofi abbandonarono il rea­ lismo. Bertrand Russell e Karl Popper furono illustri eccezioni. E neanche tutti i fisici. Albert Einstein e David Bohm andarono controcorrente, e Hugh Everett propose che le grandezze fisiche assumessero più di un valore contemporaneamente (visione che condividiamo). Nel complesso, però, i filosofi non mostrarono grande interesse per la realtà, e nonostante i fisici continuassero a usare la teoria quantistica per studiare altri campi della fisica, la ricerca sulla natura dei processi quantistici si arenò. Per alcuni decenni le cose sono gradualmente migliorate, e proprio la fisica ha riportato la filosofia sulla retta via. Le persone vogliono capire la realtà, non importa quanto lo neghino. Stiamo finalmente superando i presunti limiti a cui la cattiva filosofia ci aveva un tempo rassegnato. E se la teoria venisse confutata? Se eventuali limiti più profondi vanificassero il tentativo di costruire un computer quantistico scalabile? Ne saremmo comunque elettrizzati. Un esito simile sarebbe il più auspicabile. Non solo porterebbe a una rivisitazione delle conoscenze fondamentali della fisica, ma aprirebbe a nuove metodologie di calcolo. Se la meccanica quantistica venisse confutata, ci dovremmo confrontare con una nuova ed entusiasmante teoria, sulla quale verrebbero progettati nuovi ed entusiasmanti strumenti di calcolo. In un caso o nell’altro, non ci sarebbero limiti alla conoscenza e al progresso. n Incisione di Flammarion. Questa famosa incisione in legno del XIX secolo (pubblicata per la prima volta in bianco e nero) pone una domanda: la conoscenza ha limiti invalicabili oppure possiamo sempre spingerci oltre? p e r a pp r o f o n d i r e La trama della realtà. Deutsch D., Einaudi, Torino, 1997. The Physics of Quantum Information: Quantum Cryptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation. Bouwmeester D., Ekert A. e Zeilinger A., Springer, Milano, 2000. Quanta, Ciphers and Computers. Ekert A., in The New Physics (Fraser G., a cura), Cambridge University Press, 2006. L’inizio dell’infinito. Le spiegazioni che trasformano il mondo, Deutsch D., Einaudi, Torino, 2011. The Emergent Multiverse: Quantum Theory according to the Everett interpretation. Wallace D., Oxford University Press, 2012. Le Scienze 93