S1 EP1 – Non chiamatemi “supercomputer”

Il computer quantistico presente al plesso di Fisica del Campus / crediti Alberto Lusetti

Lo Spin base quantum science group è il team scientifico di cui Elena e Laura fanno parte, team che da 20 anni si trova in prima linea nelle ricerche sul magnetismo e sulla Meccanica Quantistica, una branca della Fisica che studia la materia e l’energia su scale atomiche e subatomiche. I loro sforzi principali sono al momento incentrati sulla ricerca del miglior materiale per ottenere un computer quantistico, una delle frontiere scientifiche in campo tecnologico. Di questi ne esistono già diversi prototipi efficienti: Elena ci ha spiegato che sia Google che IBM (l’azienda madre del PC per come lo concepiamo noi) ne possiedono uno; esiste addirittura «Un sito dove puoi accedere ad un computer quantistico – aggiunge Laura – puoi mandargli il tuo codice quantistico e lui ti fa il conto. È abbastanza user friendly, anche se, ovviamente, devi sapere come scrivere la sequenza». Ma perché l’informatica si sta spingendo verso questa nuova tecnologia? «I benefici sono diversi – racconta Laura – soprattutto sarebbe uno strumento potentissimo per la ricerca, perché riesce ad elaborare calcoli molto lunghi e sofisticati nel giro di poco tempo. Oggi questi si effettuano su grandi server dedicati esclusivamente al calcolo (i supercomputer) ma necessitano lo stesso molti giorni per elaborarli. Un altro importante sviluppo è la crittografia nel campo delle comunicazioni: attualmente i software che se ne occupano utilizzano uno schema che un computer quantistico romperebbe in pochissimo tempo, è necessario quindi passare ad una crittografia quantistica; pensate che sono nate startup con l’intento di occuparsi di questo problema. Il vantaggio è tutto racchiuso nella capacità di immagazzinare molte più informazioni (e quindi più velocità di calcolo) da parte del bit quantistico: il qubit».

S1 EP2 – Tesoro, mi si sono ingranditi i pixel

crediti Pixabay

Per capire cosa sia un qubit e perché abbia queste capacità, dobbiamo immergerci nel mondo atomico e subatomico, governato da leggi molto diverse rispetto a come percepiamo la nostra quotidianità. Partiamo dal significato di “quanto” descrittoci da Laura: «É la minima quantità discreta di una grandezza fisica (come l’energia) di un dato sistema. Immaginatelo come i pixel di un telefono: complessivamente voi vedete un’immagine che sembra continua, bella liscia, senza interruzioni (la realtà come la percepiamo); andando ad ingrandire sempre di più vedrete invece che ci sono i pixel (i quanti)». Se quindi noi percepiamo la realtà con continuità, a livello microscopico questo non accade: ci troviamo in un mondo fatto a blocchettini, in stati netti, “quantizzati” appunto. La cosa più affascinante è che questi blocchettini, intrinsecamente, non hanno identità specifica perché si trovano in una sovrapposizione di più stati fisici, ad esempio diverse posizioni o energie. Questa condizione collassa (scompare) quando si effettua un’interazione fisica (una misura) col quanto, indirizzandolo verso uno solo dei suoi possibili stati. Elena e Laura ce lo fanno visualizzare immaginando il lancio di una moneta in aria, un sistema a due stati: fin quando ruota su sé stessa non è né testa né croce ma passa di continuo dall’uno all’altro stato; quando l’afferriamo e l’appoggiamo sul dorso della mano stiamo effettuando la misura: ora è solo testa. Le interazioni con l’ambiente circostante, inoltre, portano alla perdita di coerenza quantistica: la temperatura, ad esempio, «Introduce del rumore, del movimento, dell’agitazione termica – spiega Laura – ecco perché noi lavoriamo a temperature bassissime, dove tutto viene rallentato. Atomi completamente fermi sono impossibili da ottenere per loro stessa natura, ma riusciamo a ridurre enormemente le loro fluttuazioni e a condensare il sistema “al suo stato base”», ed è qui che entra in gioco il refrigeratore a diluizione.

S1 EP3 – Il dito nella piega… quantistica

La complessa struttura del dilution refrigerator e il suo caratteristico “dito” / crediti Elena Garlatti

«Può arrivare a temperature prossime allo zero assoluto. Pensate che nello spazio c’è più caldo, rispetto al “dito” freddo del dilution». Elena ci introduce così questo apparecchio criogenico che permette di raggiungere temperature fino a -273 gradi Celsius (a -273.15 si arriva allo zero assoluto) grazie all’elio liquido pompato al suo interno. Il macchinario non è visibile perché avvolto da un contenitore, ma guardando la fotografia appesa alla parete ricorda un astrolampo, l’elegante lampadario di un teatro all’italiana: una lucente intelaiatura cilindrica verticale, ariosa, composta da piattaforme circolari connesse tra di loro da piccole strutture tubiformi che gravitano verso il basso, verso una lunga protuberanza tubolare: il suo “dito”. È proprio sulla sua punta che avviene il contatto con il mondo quantico grazie a due componenti: un cristallino di nanomagneti molecolari, le nostre molecole “calcolatrici” e un criomagnete che aiuta nella loro manipolazione (ancora no spoiler, siamo solo al 3° episodio)

S1 EP4 – Qu(anti)bit in un germoglio

Una semplificazione grafica e bidimensionale del comportamento dello “spin” quantistico dell’elettrone / crediti Alberto Lusetti

Ok, siamo arrivati a quel momento della stagione dove trame apparentemente slegate cominciano ad intrecciarsi: magnetismo e informatica. Laura ci spiega che è quantistica anche l’origine del magnetismo della materia: «Si basa sullo “spin”, una proprietà quantistica intrinseca negli elettroni degli atomi: contribuisce al momento magnetico delle particelle e può allinearsi con un campo magnetico, come l’ago di una bussola. Questa direzione possiamo immaginarla come una piccola freccia che punta verso l’alto o verso il basso. Un materiale è magnetico tanto più possiede elementi con spin in un’unica direzione; nel caso di una situazione intermedia, non lo è». Lo spin è quindi un sistema binario che possiamo associare convenzionalmente ai due bit alla base dell’informatica: uno stato allo 0 l’altro a 1. Essendo quantistico (in sovrapposizione di stati) dobbiamo però anche considerare tutte quelle probabilità in cui la freccia possa essere un po’ più in alto o un po’ più in basso: possiamo trovarci in situazioni probabilistiche come 50 e 50 (la nostra moneta di prima, ad esempio) oppure 70 e 30 o anche 99 e 1. Questo gioco di probabilità, tradotto in cifre, permette di prendere in considerazione tutti quegli infiniti valori compresi tra 0 e 1, come 0,36 oppure 0,75. Attenzione però, questa sovrapposizione non è una semplice probabilità classica come la intendiamo noi, ma è una combinazione quantistica di stati: possono avere anche ampiezze complesse che si riescono ad estrarre solo in seguito ad una misura. La capacità di elaborare informazioni che risiede in un bit quantistico (ecco il qubit!) è quindi maggiore del bit classico, perché permette risposte più sfumate. Laura: «In meccanica quantistica il focus si sposta non tanto sul conoscere dove sia l’oggetto, su cosa faccia e come è fatto, ma sul sapere con che probabilità può essere una certa cosa piuttosto che un’altra. Noi siamo assolutamente certi di come è incerto». Le potenzialità del qubit si manifestano soprattutto quando questo lo si connette ad un altro qubit a lui affiancato: «Si sfrutta un’altra proprietà quantisitica – aggiunge Elena – l’entanglement (“intreccio”): oltre ad essere in sovrappostone lui è in sovrapposizione col suo vicino, diventando correlati in modo tale da non poter essere descritti indipendentemente» una situazione che permette un ampliamento esponenziale delle potenzialità di calcolo ad ogni qubit intrecciato. Tutto sembra così semplice e lineare ma… non vi sembra manchi il plot twist di mezza stagione?

S1 EP5 – Mamma, ho perso (di vista) il quanto

crediti Ion Fet

Siamo sicuri che vi stiate chiedendo perché non vi si siano ancora sovrapposti gli occhi allo schermo, dopo questi quattro episodi. Qualche risposta ve l’abbiamo già data prima: la temperatura e altri fattori, tra cui il nostro essere macroscopici, non permettono di esperire (fortunatamente?) la sovrapposizione di stati. Ma c’è anche un altro elemento da considerare: la vista. «Tutte le volte che fai una misura o interagisci con il quanto – spiega Laura – ne alteri lo stato quantistico: “vedere” è una misura. Come funziona la visione? È un concetto particolare: la mia mano non splende, però io la vedo lo stesso perché la luce ci rimbalza contro; quindi di fatto c’è stata una piccola interazione di luce (fotoni) con la mia mano. Se osservi un oggetto stai interagendo con lui per via di questo passaggio di luce. Non sappiamo quindi come siano fatti questi stati quantistici, non possiamo vederli con gli occhi». Avete mai guardato Lost? L’impatto è stato più o meno come quello di scoprire l’esistenza di una certa botola sull’isola…

S1 EP6 – Il Matrix

crediti Ben Wicks

Non possiamo vedere gli stati quantici di persona ma la matematica ci aiuta a visualizzarli: prima di effettuare il calcolo con i qubit c’è un lungo lavoro teorico e tecnico a supporto della creazione dell’algoritmo che si vuol testare. Una volta ideato, l’obiettivo è vedere se ci sia riscontro nella fase sperimentale: «Raffreddiamo con il dilution il nostro cristallino (le molecole), lo magnetizziamo col criomagnete e poi cerchiamo di manipolare lo stato quantistisco dei loro spin con altri campi magnetici a nostro comando, realizzando una sequenza di operazioni ben precise: un algoritmo. Al momento stiamo operando in contemporanea sugli spin di più molecole ma puntiamo in futuro a manipolare quello di ogni singolo atomo». Il processo raccontatoci da Elena avviene sulle centinaia di nanosecondi, un lasso di tempo percettibile per far diventare gli spin quantistici, prima che qualcosa torni ad interagire con loro: nonostante le bassissime temperature, ci sono ancora delle interazioni, del “rumore”, che distruggono lo stato di sovrapposizione. A far da tramite in questa operazione è ancora il computer classico: si prende carico dell’input (il comando) da dare agli spin e dell’output, lasciando la parte del calcolo ai qubit. Gli stimoli fisici provenienti dalla sollecitazione degli spin vengono infatti tradotti in linguaggio binario ma «Per ora non riusciamo a parlare direttamente con il quantistico – racconta Laura – i risultati ottenuti vanno interpretati e tradotti in un linguaggio che ci permetta di comprendere se il calcolo sia venuto o meno. Lo stesso vale per i computer normali: se tutti possiamo utilizzarli è grazie a degli interpreti che non ci mostrano sequenze di 0 e 1».

S1 EP7 – Quanto, ci mancherai

I cristallini utilizzati per il calcolo quantistico / crediti Alberto Lusetti

Non c’è stata nessuna lunga e affascinante speculazione sui buchi neri e sulla Teoria delle stringhe come pensavamo, tutta colpa del nostro scienziato televisivo preferito, Sheldon Cooper (a cui però continuiamo a voler bene). Ci siamo imbattuti invece in un mix tra fisica, matematica ed informatica, forse non il miglior smoothie da sorseggiare per due menti umanistiche come le nostre. Salutando però le due ricercatrici, ci piace immaginarci tra i primi testimoni nell’ambito di questa ricerca di frontiera. La storia ci insegna a non sottovalutare una tecnologia che oggi sembra fantascienza solo perché non è alla portata del quotidiano; si era fatto lo stesso errore ontologico con i primi calcolatori, ingombranti quanto gli armadi di casa. Elena e Laura ci hanno illustrato le strette collaborazioni per portare avanti le ricerche con la stessa IBM e altre università internazionali: da Manchester a Saragozza, da Berlino a Copenaghen (è da qui che arrivano i cristallini) fino alla prestigiosa Northwestern University in Illinois, negli Stati Uniti. E mentre ci immaginiamo in un futuro lontano di avere in tasca uno smartphone quantistico, sul funzionamento della nostra realtà ci rimane qualche dubbio esistenziale… quanti? Forse troppi.