Lavoro per un gruppo di ricerca che si occupa di informazione quantistica presso l’ICFO, un centro di ricerca a Castelldefels, vicino a Barcellona, anche se collaboriamo con gente di tutto il mondo.

Oltre a promuovere la ricerca scientifica e quella tecnologica, penso sia importante comunicare come e quanto gli ultimi progressi scientifici possano influenzare le nostre vite.

Nel 2016, abbiamo coordinato un progetto internazionale finalizzato a condurre un esperimento sulla fisica quantistica con la collaborazione del pubblico: più di 100.000 persone hanno preso parte al Big Bell Test!

Uno dei miei canali Youtube preferiti è quello di una giovane ingegnere che spiega il funzionamento  degli oggetti di uso quotidiano.

Proprio ieri illustrava come i nostri cellulari contengano molti transistor e altre componenti fatte con materiali semiconduttori, che sono gli elementi fondamentali dell’elettronica digitale. Tutto questo non potrebbe essere realizzato senza comprendere le proprietà quantistiche dei materiali semiconduttori che sono alla base di queste parti.

Non sapevo di avere anch’io della tecnologia quantistica in tasca!

Insegno fisica alle scuole superiori. Mi preoccupa la poca cultura scientifica che si osserva nella maggior parte della gente. Ci sono sempre più truffe “pseudo-scientifiche”, che, usando impropriamente termini tecnici, approfittano della disinformazione e della mancanza di spirito critico dilaganti e sottraggono denaro alle persone. No, i medici quantistici non esistono! La scienza non è magia! Mi sto impegnando a far capire ai miei studenti concetti scientifici di base per insegnare loro ad analizzare con un atteggiamento critico le informazioni che gli arrivano durante la vita di tutti i giorni.

In alcuni esperimenti, non è possibile distinguere la traiettoria che la particella ha seguito: è come se ne stesse percorrendo due contemporaneamente! Quello che possiamo osservare è l’effetto dell’interferenza tra le due traiettorie.

Se blocchiamo uno dei possibili percorsi, non rileviamo più l’interferenza, anche se la particella ha viaggiato lungo il percorso senza ostacoli. È come se sapesse cosa sta avvenendo nell’altro percorso senza essere passata di lì.

Applicazioni: rilevare e/o osservare oggetti senza interagire con essi.

Stanno emergendo nuove tecnologie quantistiche che promettono di rivoluzionare il mondo dell'informazione e della comunicazione: per sviluppare appieno questo potenziale, l'Unione Europea sta pianificando la costruzione di una infrastruttura per comunicazioni quantistiche, che permetterebbe di connettere dispositivi quantistici per poi arrivare a formare una rete internet quantica. Tale infrastruttura farà uso dell'attuale rete di fibra ottica per le connessioni di breve e media distanza, combinandola con satelliti per coprire le distanze più grandi. Non solo i dati più sensibili, come informazioni personali, finanziarie e governative, ma anche i dati della rete elettrica, del traffico aereo e del sistema sanitario, potranno essere protetti grazie alla fisica quantistica.

Foto: Nubi di atomi freddi in uno dei laboratori dell’ICFO.

Per inviare un messaggio crittografato, è necessario avere una chiave per cifrare e decifrare il messaggio. Il problema consiste nel fare in modo che mittente e ricevente condividano una chiave crittografica senza che essa venga intercettata.​

Grazie alla sovrapposizione e all'effetto della misurazione sui sistemi quantici, possiamo condividere le chiavi in sicurezza e a distanza.​

I protocolli quantici di distribuzione di chiavi riescono addirittura ad individuare la presenza di eventuali spie.​

Esistono diverse aziende (tra cui LuxQuanta, una startup nata dall’ICFO) che offrono sistemi crittografici commerciali basati sulla fisica quantica.​

La fisica dei quanti ci ha permesso di capire meglio le proprietà di molti materiali, come i semiconduttori, ma ci sono ancora tanti aspetti che non comprendiamo pienamente, dato che i calcoli che dovremmo compiere per studiarli sono troppo complessi anche per i computer più potenti. ​

In attesa dell’arrivo di computer quantistici commerciali, possiamo iniziare ad usare sistemi quantistici più semplici, che possono essere rigorosamente controllati in laboratorio, come ad esempio le nuvole di atomi freddi, il cui comportamento è analogo a quello dei sistemi complessi che noi vogliamo studiare.​

Si tratta di simulatori quantistici che promettono di aiutarci a studiare le proprietà di materiali con importanti potenziali applicazioni tecnologiche, come ad esempio i superconduttori.​

Siamo abituati al fatto che misurare non cambia per nulla le proprietà degli oggetti, ma a livello quantistico, misurare può modificare le proprietà di ciò che si sta misurando. Infatti,  se la particella è in una sovrapposizione di due stati, la misura la fa collassare e come risultato ne osserviamo solo uno e ben definito.
Se non siamo in grado di evitare gli effetti della nostra presenza come osservatori del sistema, come possiamo conoscere qualcosa davvero?

Alcune delle tecnologie che usiamo al giorno d’oggi, sono in realtà derivate da una linea di ricerca che andava in tutt’altra direzione. Per esempio, internet è stato creato in un centro internazionale per la ricerca della fisica delle particelle, il CERN; i sistemi di posizionamento satellitare (GPS, Galileo) devono la loro precisione alla teoria della relatività generale.

A volte, i settori della ricerca che in teoria non hanno applicazioni intuitive, generano tecnologie utili come “effetti collaterali”. Dovremmo investire nella ricerca fondamentale  per i potenziali benefici che potrebbero derivare da possibili applicazioni non prevedibili? O l'avanzamento della conoscenza è una ragione sufficiente per iniziare le ricerche?

Le loro applicazioni in tutti i campi dell'attività umana cambieranno radicalmente le nostre vite, come hanno fatto tanto tempo fa l'elettricità e l'elettronica. Dobbiamo investire il più possibile nel loro sviluppo, affinché possano essere messi in commercio il prima possibile.

Non dobbiamo lasciarci ingannare da promesse illusorie. Abbiamo fatto molta strada con le tecnologie classiche e abbiamo ancora molta strada da fare: manteniamo l'attuale investimento nelle tecnologie quantistiche. Lasciamo che le persone esperte facciano il loro lavoro e continuino a fare ricerca, concentrandosi a mantenere e migliorare le tecnologie che già abbiamo.

La ricerca in fisica quantistica e le sue applicazioni sono positive, ma in questo momento abbiamo altri problemi molto più importanti e urgenti, come la fame, la povertà, le guerre e il terrorismo. Continuiamo a fare ricerche, ma investiamo i nostri soldi nella ricerca di soluzioni ai grandi problemi che la nostra società deve affrontare oggi.

Le tecnologie quantistiche sono molto promettenti, ma per poterle rendere efficaci è necessaria una solida comprensione dei loro fondamenti. Investire nella ricerca fondamentale è indispensabile: una migliore comprensione dei fondamenti della fisica quantistica porterà naturalmente allo sviluppo delle sue applicazioni.