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Atomi verso lo zero assoluto
per una nuova tecnologia quantistica
Leonardo Fallani
Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze
LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare
Comunicare e calcolare nel XX secolo
Onde elettromagnetiche
M. Faraday
A. M. Ampere
J. C. Maxwell
H. Hertz
Lo spettro elettromagnetico
Le onde radio
1896
Guglielmo Marconi brevetta il telegrafo senza fili
1901 Riesce a trasmettere il primo segnale radio dall'Europa all'America
Codice Morse
Precursore della comunicazione digitale (bit "classici", 0 o 1)
Comunicare con la luce
Oggi la maggior parte delle comunicazioni via cavo viene
affidata alla trasmissione di segnali di luce in fibre ottiche
I primi calcolatori
Alan Turing
(1912‐1954)
Ricostruzione della macchina di Turing (1944) usata per decifrare ENIGMA
I primi calcolatori
I primi calcolatori
Dalle valvole ai transistor
La prima generazione di apparati elettronici
(radio, calcolatori, etc.) era basata sui tubi a vuoto per amplificare segnali.
Tra gli anni '40 e '50 viene scoperto il funzionamento dei semiconduttori e nascono i primi transistor.
In breve tempo nascono circuiti
integrati con un numero di transitor
sempre maggiore
Legge di Moore
Dal 1970 ad oggi Il numero di transistor che può essere incluso in un circuito integrato è raddoppiato ogni due anni (finora…)
Verso limiti quantistici
La dimensione dei transistor sta raggiungendo quella
di singoli atomi
Il numero di elettroni utilizzati per controllare i transistor si sta avvicinando
a uno (regime quantistico)
Una seconda rivoluzione quantistica
1a rivoluzione quantistica
2a rivoluzione
quantistica
calcolatore meccanico
microprocessore
computer quantistico
bit classici
dispositivo classico
bit classici
effetti quantistici
logica quantistica
hardware completamente quantistico
"Quantum information is a radical departure in information technology, more fundamentally different from current technology than the digital computer is from the abacus."
W. D. Phillips, 1997 Nobel Laureate
Il mondo quantistico
La fisica del "piccolo"
La materia è quantizzata in atomi
Unità‐base della materia, costituiti
da elettroni, protoni e neutroni
Quanti atomi ci sono nel corpo umano? Tanti!
3 x 1027 =
3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 =
3 miliardi di miliardi di miliardi!!
La fisica del "piccolo"
Anche la luce è quantizzata:
"particelle di luce", i fotoni
Max Planck
(1900)
Albert Einstein
(1905)
Quanti fotoni emette una
lampadina?
1020 / s =
100 000 000 000 000 000 000 / s =
100 miliardi di miliardi al secondo!
La nascita della meccanica quantistica
"Quanti" di energia
L'energia di un atomo è quantizzata! (Bohr, 1913)
Livelli di energia: solo alcune "orbite" sono ammesse
…
N. Bohr
E3
L. De Broglie
E2
W. Heisenberg
E. Schrödinger
E1
Livelli energetici e transizioni
assorbimento
energia di un fotone
ΔE
∆E = h f
costante di Planck
h = 6.6 10-34 J s
Livelli energetici e transizioni
assorbimento
energia di un fotone
ΔE
∆E = h f
costante di Planck
h = 6.6 10-34 J s
Informazione quantistica
Lo stato di un sistema quantistico può essere utilizzato per immagazzinare e processare informazione
1
0
bit quantistico
qubit
La potenza quantistica
Ci sono due principi fondamentali della meccanica quantistica
che possono essere utilizzati per lo sviluppo di una nuova tecnologia:
Principio di sovrapposizione:
=α
0
+β
1
=α
0 1
+β
Entanglement:
1 0
Principio di sovrapposizione
Principio di sovrapposizione:
=α
0
+β
1
Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei
due stati della sovrapposizione iniziale.
Principio di sovrapposizione
Principio di sovrapposizione:
=α
0
+β
1
Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei
due stati della sovrapposizione iniziale.
misura 
1
probabilità 2
Principio di sovrapposizione
Principio di sovrapposizione:
=α
0
+β
1
Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei
due stati della sovrapposizione iniziale.
misura 
1
0
probabilità 2
Principio di sovrapposizione
Principio di sovrapposizione:
=α
0
+β
1
Un qualsiasi sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in una sovrapposizione di stati. Dopo una misura, il sistema "collassa" in uno dei
due stati della sovrapposizione iniziale.
1
0
Entanglement
Entanglement:
a
b
0
1
1
0
a
b
a
b
Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione,
ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!)
Entanglement
Entanglement:
a
b
0
1
1
0
a
b
a
b
Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione,
ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!)
1
misura
0
Entanglement
Entanglement:
a
b
0
1
1
0
a
b
a
b
Due sistemi quantistici sono ciascuno in uno stato di sovrapposizione,
ma sono perfettamente correlati (anche senza una connessione fisica!)
0
misura
una spaventosa azione a distanza!?!
1
Tecnologie quantistiche
Tecnologie quantistiche
Le temperature più basse dell'Universo
‐273.149999999 °C
Catturare gli atomi con la luce
Raffreddare gli atomi
La temperatura è una misura
del moto microscopico di
agitazione termica
Scale di temperatura
congelamento H20 ebollizione H20
LHC
superficie solare
ATOMI
ULTRAFREDDI
radiazione cosmica
di fondo
0 °C = 273.15 K
100 °C = 373.15 K
Raffreddare gli atomi con la luce
laser
laser
laser
laser
N ~ 109 atomi
T ~ 1 K !!
5 mm
Catturare gli atomi con la luce
Atomi al microscopio
Dai simulatori ai computer quantistici
Simulatori quantistici
…un computer quantistico per la Fisica?
Molti problemi complessi di Fisica quantistica sono impossibili da risolvere in maniera efficace con algoritmi classici
Ad esempio:
Fisica dei materiali
Fisica delle alte energie
Simulatori quantistici
…un computer quantistico per la Fisica?
Molti problemi complessi di Fisica quantistica sono impossibili da risolvere in maniera efficace con algoritmi classici
Simulatori quantistici: computer quantistici dedicati per la soluzione di problemi specifici di meccanica quantistica, impossibili da risolvere su un computer classico
R. Feynman
Un esempio: la superconduttività
Nei normali conduttori, il passaggio di corrente comporta una dissipazione di calore (effetto Joule),
quindi una spesa di energia
Un superconduttore conduce corrente senza dissipazione, ma ha bisogno di temperature molto basse (intorno a ‐270 °C)
Ci sono superconduttori ad "alta" temperatura che funzionano a ‐70 °C.
Capire il loro comportamento (o "progettarne" di nuovi) è un problema
non ancora risolto a causa dell'elevato grado di complessità.
Simulatori quantistici
atomi in reticoli ottici
elettroni in un solido
Soluzione di modelli fisici complessi
Nuovi stati della materia
Una nuova tecnologia quantistica
per lo studio della materia e lo sviluppo di nuovi materiali
M. Mancini et al., Science 349, 1510 (2015)
Extradimensioni
1D, 2D, 3D…
1 dimensione
x
moto lungo una linea
2 dimensioni
y
moto su una superficie
x
3 dimensioni
moto in tutto lo spazio
z
y
x
…4D!
Si può creare una quarta dimensione all'interno di ogni atomo!
Ogni atomo può presentarsi in tanti stati ("colori") diversi. A ciascuno di essi possiamo associare una posizione lungo una quarta dimensione.
spin / colore
x1
x2
x3
x4
x5
x6
posizione
(extradimensione)
Utilizzando luce laser, che cambia il colore degli atomi, possiamo fare in modo
che ciascun atomo si possa muovere lungo questa quarta dimensione.
Creare un'extradimensione
M. Mancini et al., Science 349, 1510 (2015)
Vedere l'extradimensione
posizione (extradimensione)
Gli atomi "colorati" lungo una linea (1D) si comportano come atomi che si
muovono su un piano (2D), ad esempio si vedono curvare e rimbalzare sui bordi
dell'extradimensione se si applica un campo magnetico (effetto Hall quantistico).
posizione (dimensione reale)
Verso un computer quantistico
Un simulatore quantistico risolve problemi specifici
Problemi diversi richiedono macchine diverse
Un computer quantistico è una macchina universale in grado di risolvere una moltitudine di problemi diversi…
Ammesso di saperlo programmare!
Quantum speedup
La capacità di un qubit di assumere contemporaneamente i valori 0 e 1 aumenta esponenzialmente la capacità di calcolo di un computer quantistico
0
1
2
21 = 2 stati
1
0
0
0
1
1
0
1
1
22 = 4 stati
….
….
….
n qubit corrispondono a 2n stati di n bit
La "potenza" delle potenze
264 = 18 446 744 073 709 551 616 in tutta la scacchiera, circa 1000 volte la produzione mondiale di grano nel 2014
La "potenza" delle potenze
Per rappresentare con bit classici tutti gli stati assumibili da soli
64 qubit sono necessari quasi
150 exabyte (milioni di gigabyte) di memoria, circa metà di tutta l’informazione globale elaborata
tra il 1986 e il 2007
M. Hilbert, P. Lopez, Science (2011)
Grazie alla possibilità di creare entanglement tra qubit, un computer quantistico è in grado di elaborare tutti gli stati contemporaneamente
Verso il computer quantistico
La teoria è già pronta (da decine
di anni): logica quantistica
I primi prototipi sono già realtà:
5 qubit tutti entangled tra loro perfettamente funzionanti Nature (Agosto 2016)
Verso il computer quantistico
La teoria è già pronta (da decine
di anni): logica quantistica
I primi prototipi sono già realtà:
5 qubit tutti entangled tra loro perfettamente funzionanti Nature (Agosto 2016)
Atomi per misurare il tempo
Come misurare il tempo?
Cos'è un orologio? Un oscillatore + un contatore
Come misurare il tempo?
 5000 a.C.
meridiana
1
osc. / giorno
1656
orologio
a pendolo
1918
orologio
al quarzo
1
osc. / secondo
32.768
osc. / secondo
1955
orologio atomico
a microonda
 2010
orologio atomico
ottico
9.192.631.770 518.295.836.590.863
osc. / secondo
osc. / secondo
Battere il tempo con gli atomi
Battere il tempo con gli atomi
518 295 836 590 863 osc. / secondo
Battere il tempo con gli atomi
Misurare il tempo = contare le oscillazioni della luce
518 295 836 590 863 osc. / secondo
Orologi atomici
Precisione degli orologi atomici
accuratezza e precisione 10-18!!
H. Margolis, Nature Physics 10, 82 (2014)
Orologi atomici
A cosa servono orologi così precisi?
Sistemi di navigazione satellitare
GPS Global Positioning System,
GALILEO…
Più accuratezza ed affidabilità
nel posizionamento
Definizione di tempo "esatta"
es. sincronizzazione di transazioni finanzarie
Misure fisiche di precisione "estrema" es. rivelazione onde gravitazionali, materia oscura,
variazione delle costanti fisiche fondamentali
Conclusioni
Tecnologie quantistiche
I tempi sono maturi per una nuova tecnologia quantistica
Simulatori quantistici
Computer quantistici
Orologi atomici "esatti"
Comunicazioni sicure
…
Interesse di partner industriali
Importanti finanziamenti europei
…tanto divertimento!!!
Grazie per l'attenzione!
[email protected]
Leonardo Fallani
Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze
LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare