Scienze

L'entanglement quantistico spiegato da chi "lo usa"

L'entanglement quantistico è il fenomeno fisico dell'anno, ma può risultare ostico da comprendere. Per capire cos'è e a cosa può servire, abbiamo sentito un esperto che ne usa quotidianamente le applicazioni.

Il fenomeno che ha vinto il premio Nobel per la fisica quest'anno – l'entanglement – è certamente oscuro e misterioso ai più. Ma è anche al cuore di quella branca della fisica nota come "meccanica quantistica", che descrive il mondo microscopico e che desta molto interesse per le applicazioni, a partire dalla crittografia e dai computer "quantistici", appunto, come spiegato nel numero di Focus attualmente in edicola. Ne parliamo con Simone Severini, responsabile delle tecnologie quantistiche di Amazon Web Services (Aws) a Seattle, negli Stati Uniti, e autore del libro Nella terra dei qubit (Trèfoglie) in uscita il 16 dicembre.

Che cos'è l'entanglement? 
Prima di tutto, va detto che definire l'entanglement senza il linguaggio della matematica è difficile. Questa è la bellezza della matematica: a volte con due righe si è in grado di spiegare concetti complessi che il linguaggio parlato fa fatica a descrivere.

Articolo Entanglement
All'entanglement quantistico, e alle sue possibili applicazioni, è dedicato un articolo nel numero 362 di Focus, attualmente in edicola.

L'entanglement va oggi interpretato come una quantità fisica, come può essere il tempo o l'energia. Va interpretato come una risorsa che può essere utile in applicazioni pratiche. Quando parliamo di entanglement quantistico, mi piace utilizzare il sinonimo "correlazione quantistica". L'entanglement è infatti una correlazione più forte di qualsiasi correlazione classica (cioè descritta dalla fisica classica). 

La fisica quantistica ammette l'esistenza di oggetti che sono fortemente correlati. Per esempio, immaginiamo due amici, Alice e Bob, ognuno dei quali abbia una moneta. Quando Alice lancia la sua moneta, avrà il 50% di probabilità di ottenere testa e il 50% di probabilità di ottenere croce. La stessa cosa accade a Bob. Quando entrambi, Alice e Bob, lanciano le loro monete, abbiamo quindi una di quattro configurazioni possibili, ognuna con il 25% di probabilità: testa e testa, testa e croce, croce e testa, croce e croce. È importante notare che il risultato del lancio di Bob non dipende da quello di Alice, e viceversa. Fino a qui è tutto ovvio.

Ecco, ora immaginiamo due monete speciali, monete che esistono solo nel mondo della fisica quantistica. Chiamiamole monete quantistiche. Queste monete quantistiche hanno una proprietà difficile da intuire. Immaginiamo che Alice lanci la sua e ottenga testa con il 50% di probabilità. Le due monete quantistiche sono speciali perché, in questo caso, anche Bob otterrebbe testa quando lancia la sua. Garantito, con il 100% di probabilità. Stessa cosa nel caso in cui Alice ottenesse croce. Quindi, per le monete quantistiche di Alice e Bob, si possono verificare solo due configurazioni, ovvero testa e testa oppure croce e croce.

Le due rimanenti configurazioni, testa e croce, e croce e testa, sono escluse.

Le monete quantistiche appena descritte non sono un prodotto della nostra fantasia, ma possono essere costruite nel mondo fisico, per esempio attraverso due fotoni, i componenti fondamentali della luce. O attraverso atomi, I componenti fondamentali della materia. Testa e croce possono essere codificate nelle proprietà di un fotone o di un atomo. Sbalorditivo.

A che cosa serve tutto questo?
Con la correlazione quantistica si possono fare una valanga di cose interessanti. C'è un esempio molto noto: condividere chiavi crittografiche, o, in altre parole, condividere password. Attraverso correlazioni quantistiche, Alice e Bob possono generare e condividere password praticamente impossibili da indovinare. 

Ma Alice e Bob possono anche scambiarsi messaggi più veloci della luce? 
La risposta è "no". Semplicemente perché non possono decidere il risultato del lancio della moneta quantistica, in quanto testa o croce si verificano comunque con il 50% di probabilità.

Che cosa sono i computer quantistici e che ruolo ha l'entanglement nel loro funzionamento?
Un computer quantistico è una macchina che processa informazione codificata in oggetti fisici il cui comportamento è governato dalla fisica quantistica. I computer quantistici promettono, in teoria, di risolvere alcuni problemi computazionali in maniera più veloce di ogni altro tipo di computer costruibile secondo le leggi della fisica che conosciamo oggi.
È presumibile che le correlazioni quantistiche abbiano un ruolo nel suo comportamento, ma ad oggi non è ben chiaro quale esso sia.

Con l'entanglement è stato anche realizzato il teletrasporto quantistico. Di che cosa si tratta?
Il teletrasporto quantistico è una procedura che usa correlazioni quantistiche e un canale di comunicazione tradizionale, come il telefono, per esempio, per trasmettere da un posto all'altro la descrizione di un oggetto quantistico, per poi poterlo ricostruire in maniera identica.

Dal punto di vista teorico, la procedura fu inventata nel 1993. Il relatore della mia tesi di dottorato, Richard Jozsa, fu uno dei suoi co-inventori. I primi esperimenti sul teletrasporto quantistico furono eseguiti nel 1997 da due gruppi: un gruppo a Roma, guidato da Francesco De Martini; e un gruppo a Innsbruck, guidato da Anton Zeilinger. È interessante osservare che il "mittente" del teletrasporto quantistico non deve necessariamente conoscere ciò che intende trasmettere.

È molto probabile che il teletrasporto quantistico un giorno avrà un ruolo chiave per far parlare tra loro computer quantistici. Quello che verrà chiamato internet quantistico, ovvero una rete di calcolatori quantistici connessi tra loro, utilizzerà proprio il teletrasporto quantistico come metodo principale per trasferire informazione.

Ad Amazon Web Services usate le tecnologie quantistiche in vario modo (v. Focus n. 362). Ma le attenzioni sono rivolte soprattutto al futuro. Quali sono i vostri programmi?
In generale, è difficile prevedere il futuro della tecnologia, e soprattutto di una tecnologia che ancora richiede così tanta scienza come i computer quantistici.

Presso l'AWS (Amazon Web Services) Center for Quantum Computing, scienziati e ingegneri stanno lavorando alla costruzione di computer quantistici basati su superconduttori. Questi sono circuiti elettrici con proprietà squisitamente quantistiche. Abbiamo scelto questo approccio in parte perché permette di impiegare tecniche di fabbricazione note in microelettronica.

Gli esperimenti del nostro centro considerano due direzioni: la prima è cercare di migliorare la qualità dei materiali utilizzati nella costruzione dei processori quantistici; la seconda è il design di architetture innovative capaci di correggere gli errori che si verificano naturalmente durante il processo di calcolo. Ridurre questi errori è cruciale per riuscire a risolvere problemi di valore pratico. Per arrivarci, serve ancora tanto lavoro.

24 novembre 2022 Andrea Parlangeli
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