Elettroni che ruotano contemporaneamente a destra e a sinistra. Particelle che cambiano stato insieme, anche se separate da enormi distanze. Fenomeni intriganti come questi sono del tutto comuni nel mondo della fisica quantistica. I ricercatori del campus TUM di Garching li stanno utilizzando per costruire computer quantistici, sensori ad alta sensibilità e l'Internet del futuro.
"Raffreddiamo il chip fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, più freddo che nello spazio", afferma Rudolf Gross, professore di fisica tecnica e direttore scientifico del Walther Meissner Institute (WMI) presso il campus di ricerca di Garching. Si trova di fronte a un dispositivo dall'aspetto delicato con dischi color oro collegati tramite cavi:il sistema di raffreddamento di un chip speciale che utilizza le bizzarre leggi della fisica quantistica.
Da circa vent’anni i ricercatori del WMI lavorano sui computer quantistici, una tecnologia basata su una rivoluzione scientifica avvenuta 100 anni fa quando la fisica quantistica introdusse un nuovo modo di guardare alla fisica. Oggi costituisce la base per una "nuova era tecnologica", come la chiama il Prof. Gross.
Per dare forma a questa era emergente, i ricercatori di Garching stanno studiando i modi per utilizzare le regole della fisica quantistica, nonché i rischi associati e i potenziali benefici della tecnologia quantistica per la società.
"Incontriamo la fisica quantistica ogni giorno", afferma Gross. Ad esempio, quando vediamo l'elemento bruciatore del piano cottura che si illumina di rosso. Nel 1900 Max Planck trovò la formula per la radiazione emessa da corpi a diverse temperature. Ciò significava che doveva supporre che la luce emessa fosse costituita da minuscoli pacchetti di energia, detti quanti. La fisica quantistica continuò a svilupparsi negli anni successivi, cambiando radicalmente la nostra comprensione del microcosmo. Le nuove tecnologie hanno sfruttato le proprietà speciali di atomi ed elettroni, ad esempio il laser, il tomografo a risonanza magnetica e il chip del computer.
Le tecnologie di questa prima rivoluzione quantistica controllano grandi quantità di particelle. Nel frattempo, i fisici possono anche manipolare singoli atomi e fotoni e produrre oggetti che obbediscono alle leggi della fisica quantistica. "Oggi possiamo creare sistemi quantistici su misura", afferma Gross. I principi della fisica quantistica, per i quali finora non esistono quasi realizzazioni tecnologiche, possono essere utilizzati in questa cosiddetta seconda rivoluzione quantistica.
Il primo di questi principi è la sovrapposizione:un oggetto quantistico può assumere stati paralleli, che nel sistema di riferimento classico si escludono a vicenda. Ad esempio, un elettrone può ruotare contemporaneamente sia a destra che a sinistra. Gli stati sovrapposti possono anche interagire reciprocamente, in modo simile alle onde che si intersecano che si rinforzano o si annullano a vicenda:questo è il secondo principio:l'interferenza quantistica.
Il terzo fenomeno è l’entanglement. Due particelle possono avere uno stato quantico congiunto, anche se si trovano a chilometri di distanza l'una dall'altra. Ad esempio, se misuriamo la polarizzazione di un dato fotone, il risultato della misurazione per il partner entangled viene immediatamente accertato come se lo spazio tra i due fotoni non esistesse.
Per quanto esotici possano sembrare questi concetti, sono ugualmente importanti per il progresso tecnico. I computer classici hanno uno svantaggio:elaborano le informazioni in sequenza, un passo alla volta. "Nemmeno i supercomputer che crescono costantemente più velocemente saranno in grado di gestire tutti i compiti a portata di mano", afferma Gross, poiché la complessità di alcuni compiti può aumentare drasticamente.
Ad esempio, il numero di possibili itinerari di viaggio tra diverse città aumenta con ogni potenziale fermata. Sono sei le rotte possibili tra quattro città, mentre per 15 città il numero supera i 40 miliardi. Pertanto, il compito di trovare il percorso più breve molto rapidamente diventa estremamente complesso, persino irrisolvibile, utilizzando i computer classici entro un periodo di tempo possibile.
Il principio di sovrapposizione rende il compito molto più semplice per il computer quantistico:utilizza bit quantistici, o qubit, che possono elaborare i valori di bit 0 e 1 contemporaneamente invece che in sequenza. Un gran numero di qubit, collegati tra loro tramite interferenza quantistica o entanglement, possono elaborare un numero inconcepibilmente elevato di combinazioni in parallelo e possono quindi risolvere compiti altamente complessi molto rapidamente.
Tornando a WMI:qui troviamo camere a vuoto in argento in cui gli atomi di metallo sono depositati con precisione su wafer di silicio delle dimensioni di una mano. Gli strati metallici altamente puri che si formano su questi wafer costituiscono la base per minuscoli circuiti. Quando il sottoraffreddamento rende i circuiti superconduttivi, l’elettricità che trasportano oscilla a varie frequenze corrispondenti a diversi livelli di energia. I due livelli più bassi servono come valori qubit 0 e 1. Il chip in uno di questi sistemi di raffreddamento contiene sei qubit, sufficienti per scopi di ricerca.
Tuttavia, i computer quantistici necessitano di diverse centinaia di qubit per risolvere problemi pratici. Inoltre, ciascuno dei qubit dovrebbe essere in grado di eseguire il maggior numero possibile di passaggi computazionali per realizzare algoritmi rilevanti per scopi pratici. Ma i qubit perdono la loro sovrapposizione molto rapidamente, anche dopo il minimo disturbo, come difetti dei materiali o elettrosmog:"un problema enorme", afferma Gross.
Per correggere questi errori è quindi necessario utilizzare complesse procedure di correzione, ma questi processi richiederanno migliaia di qubit aggiuntivi. Gli esperti prevedono che ci vorranno molti anni per raggiungere questo obiettivo. Tuttavia, le prime applicazioni potrebbero già essere funzionanti quando il numero di errori qubit sarà ridotto, se non eliminato.
"Un'importante fonte di errore è l'interazione reciproca indesiderata tra qubit", afferma il Dr. Kirill Fedorov del WMI. Il suo rimedio:distribuire i qubit su più chip e intrecciarli tra loro. Nel seminterrato del WMI Fedorov indica un tubo con il diametro di un ramo di un albero che porta da un computer quantistico al successivo. I tubi contengono conduttori a microonde che mettono i qubit in reciproca interazione tra loro. Questo approccio potrebbe rendere possibile la collaborazione di migliaia di qubit in futuro.
Eva Weig, professoressa di nanotecnologia e sensori quantistici, ha una prospettiva diversa su questa mancanza di perfezione. "Anche il fatto che gli stati quantistici reagiscano in modo così sensibile a tutto può essere un vantaggio", afferma. Anche i più piccoli campi magnetici, variazioni di pressione o fluttuazioni di temperatura possono modificare in modo misurabile uno stato quantistico. "Ciò può rendere i sensori più sensibili e precisi e renderli capaci di una migliore risoluzione spaziale", afferma Weig.
Vuole utilizzare oggetti relativamente grandi come sensori quantistici meccanici. Anche le nanostrutture costituite da milioni di atomi possono essere portate al loro stato fondamentale quantistico, come hanno dimostrato per la prima volta i ricercatori dell’Università della California nel 2010. Eva Weig si sta basando su questa scoperta. "Voglio costruire nanosistemi facilmente controllabili per misurare le forze più piccole."
Nel laboratorio, il fisico presenta un chip realizzato dal suo team nella propria camera bianca. Su di esso ci sono quelle che lei chiama "nano-chitarre", invisibili a occhio nudo:minuscole corde, 1.000 volte più sottili di un capello umano, che vibrano a radiofrequenza. Il team di Weig sta tentando di mettere questi nano-oscillatori in uno stato quantistico definito. Quindi le stringhe potrebbero essere utilizzate come sensori quantistici, ad esempio per misurare le forze esistenti tra le singole cellule.
Il professore di reti quantistiche Andreas Reiserer vuole sfruttare un altro aspetto dei sistemi quantistici per facilitare un'internet quantistica:lo stato quantistico di una particella viene distrutto quando viene misurato, il che significa che l'informazione in essa contenuta può essere letta solo una volta. Qualsiasi tentativo di intercettazione lascerebbe quindi inevitabilmente delle tracce. Se non ci sono tali tracce, la comunicazione può essere considerata attendibile. "La crittografia quantistica è economicamente vantaggiosa e può già oggi supportare comunicazioni a prova di intercettazione", afferma.
Ma la portata di questa tecnologia rimane ancora limitata. Secondo Reiserer, gli elementi in fibra ottica sono ideali per trasportare informazioni quantistiche utilizzando la luce. Ma il vetro assorbe parte della luce in ogni chilometro percorso. Dopo circa 100 chilometri la comunicazione non è più possibile.
Il team di Reiserer sta quindi conducendo ricerche sui cosiddetti ripetitori quantistici, unità di memorizzazione per informazioni quantistiche che devono essere distanziate lungo la rete in fibra ottica circa ogni 100 chilometri. Se fosse possibile collegare ciascuno dei ripetitori quantistici con il suo vicino più prossimo, le informazioni inviate potrebbero essere trasmesse senza alcuna perdita. "In questo modo speriamo di essere in grado di attraversare distanze su scala globale", afferma Reiserer. "Allora potrebbe essere possibile collegare dispositivi ovunque nel mondo per formare un 'supercomputer quantistico'."
Il team di Monaco vuole miniaturizzare i ripetitori quantistici, semplificarli e renderli adatti alla produzione di massa inserendoli in un chip di computer. Il chip contiene una fibra ottica in cui sono incorporati atomi di erbio. Questi atomi fungono da qubit che possono bufferizzare le informazioni. Tuttavia, ammette Reiserer, ciò richiede un raffreddamento fino a un minimo di quattro gradi Kelvin (ovvero, circa -269°C) e aggiunge che saranno necessarie molte più ricerche prima di raggiungere la fattibilità pratica.
L’arrivo delle tecnologie quantistiche nella vita di tutti i giorni comporta anche alcuni rischi. Un computer quantistico con correzione degli errori potrebbe violare le attuali procedure di crittografia convenzionali e potrebbe, ad esempio, compromettere la sicurezza dell’online banking. "La buona notizia è che esistono già nuove procedure di crittografia sicure contro gli attacchi informatici quantistici", afferma Urs Gasser, professore di politiche pubbliche, governance e tecnologie innovative e capo del "Quantum Social Lab" alla TUM. Gasser, giurista, aggiunge che la transizione richiederà diversi anni, per cui è necessario iniziare adesso.
"Il costo di arrivare troppo tardi potrebbe addirittura superare il costo di arrivare in ritardo con l'intelligenza artificiale", avverte Gasser. Il Quantum Social Lab si concentra sugli impatti etici, legali e sociali delle tecnologie quantistiche emergenti. Ciò include ad esempio la questione di come integrare le persone nel dibattito sulla nuova tecnologia o se solo i paesi ricchi debbano essere in grado o meno di pianificare meglio le proprie città grazie all'ottimizzazione quantistica.
"La seconda rivoluzione quantistica è un cambiamento di paradigma che avrà un impatto sociale, politico ed economico di vasta portata", afferma il Prof. Gasser. "Dobbiamo dare forma a questa rivoluzione nel migliore interesse della società."
Fornito dall'Università tecnica di Monaco
