Il Nobel ai fisici ‘guardoni’

Premio Nobel per la fisica a due fisici guardoni che hanno messo a punto tecniche sperimentali per spiare la vita, i comportamenti intimi, spesso bizzarri, delle particelle subatomiche come previsti dalle leggi della fisica quantistica: Serge Haroche, francese e David J. Wineland, statunitense.

Secondo la fisica quantistica, la luce, gli atomi, gli oggetti subatomici come l’elettrone sono tanto una particella quanto un’onda a seconda di come vengono osservati e le cause non sono sempre legate univocamente agli effetti. Un elettrone diventa ubiquo, può essere in due luoghi allo stesso istante, oppure ovunque se nessuno si preoccupa di misurarlo come affermato dal principio d’indeterminazione di Heisenberg, Erwin Schroedinger era alquanto perplesso dalla faccenda e se ne uscì con la metafora del gatto, dichiarando che in accordo alle leggi della fisica quantistica un gatto in una scatola sarebbe tanto vivo quanto morto fino a che qualcuno non getta uno sguardo al contenuto della scatola. Nessuno si è mai preoccupato di chiedere l’opinione al gatto.

I due laureati Nobel hanno fornito un formidabile contributo per passare dalla teoria alla pratica.

Haroche intrappola i fotoni in una scatola di specchi così ben fatta che un fotone ci rimbalza dentro per un decimo di secondo –una eternità nel tempo della fisica atomica- prima di essere assorbito o di sfuggire. Quando i fotoni danzano nella scatola, manda dentro un atomo spione, uno solo, per osservare come interagisce con essi. Così facendo riesce a osservarli senza distruggerli nel processo stesso di osservazione: “vedere” la luce significa di vedere almeno un fotone e per farlo la nostra retina o un qualsiasi sensore ottico, deve assorbirlo, dunque lo distrugge. Riuscire a osservare i fotoni senza distruggerli apre le porte alla realizzazione pratica dei calcolatori quantistici. Breve digressione…

In un computer classico, digitale, il voltaggio fra le due piastre di un condensatore rappresenta un bit d’informazione. Se è carico vale 1. Se è scarico vale 0. Oppure posso assegnare il valore 0 e 1 a due diverse polarizzazioni della luce.

Se invece prendiamo come bit fisico un oggetto quantistico come un atomo o un fotone, la meccanica quantistica dice che oltre ai due stati distinti 0 e 1, può assumere una coerente sovrapposizione dei due stati. Il che significa che si trova tanto nello stato 1 quanto in quello 0. Un oggetto quantistico può essere “in due stati allo stesso tempo”. Il gatto vivo e morto di cui sopra.

Si può dunque generare un qubit, ovvero bit quantistico, capace di codificare simultaneamente sia il valore 0 che quello pari a 1 . Attenzione però. Se andiamo a misurare il qubit si potrà rilevare in modo del tutto casuale solo uno dei due numeri che contiene: una proprietà di scarsa utilità pratica.

Spingiamo l’idea della sovrapposizione dei numeri leggermente più avanti.

Prendiamo un registro composto da tre bit fisici. Può trovarsi in una delle otto possibili configurazioni 000, 001, 010, …, 111 che corrispondono ai numeri da 0 a 7. Consideriamo ora un registro quantistico formato da tre qubits. In un determinato istante può registrare, in stato di sovrapposizione quantistica, tutti e gli otto numeri che sono presenti fisicamente nel registro.

Aggiungiamo qubits al registro. La sua capacità di memorizzare numeri cresce in modo esponenziale. In generale L qubits possono registrare 2 elevato alla L numeri in modo simultaneo. Un registro composto da 250 qubits, 250 atomi ad esempio, è in grado di contenere più numeri di quanti siano gli atomi nell’universo conosciuto. Se andiamo a misurare il contenuto del registro, troveremo comunque uno solo dei 2 elevato alla 250 possibili valori. Tuttavia, possiamo una volta che il registro è posto in stato di sovrapposizione quantistica di molti numeri diversi, possiamo svolgere calcoli matematici su tutti di essi insieme appassionatamente. Un calcolatore quantistico, offre dunque – anche se per un numero ristretto di modalità di calcolo- un incredibile vantaggio in termini di tempo e di memoria.

Un esempio per tutti: la criptoanalisi. Uno degli schemi di crittografia più validi è il DES (Data Encryption Standard). Per decifrare il DES occorre trovare la chiave giusta fra le 2 elevato alla 56 possibilità, pari a circa 70 milioni di miliardi. Se si potessero validare un milione di chiavi al secondo, ci vorrebbero più di mille anni per trovare la chiave giusta. Un calcolatore quantistico impiegherebbe meno di quattro minuti.

Fine della digressione. In caso di necessità gli analgesici sono disponibili nell’armadietto dei medicinali in bagno.

Osservare lo stato delle particelle elementari spiana la strada a questo tipo di macchine. Ben meritato dunque il Nobel. Interessante che fra le varie referenze a supporto della laurea Nobel a Haroche ci siano i contributi di Paolo Mataloni e Francesco De Martini, del gruppo di Ottica quantistica del dipartimento di Fisica della “Sapienza” Università di Roma, che compaiono tra gli autori delle pubblicazioni selezionate nella motivazione del premio. Interessante anche che nel 2001 la stessa università ha conferito a Serge Haroche il premio Chisesi-Tomassoni per il lavoro di ricerca sulla “’Cavity Quantum Electrodynamics, ovvero lo studio delle proprietà radiative di atomi confinati in ristrette regioni di spazio. Questo approccio consente lo studio della interazione fra singoli atomi e uno o più fotoni in condizioni controllate. Negli ultimi venti anni questo metodo ha consentito prove sperimentali di meccanica quantistica del tutto nuove, rilevanti per molte applicazioni”.

Motivazione profetica di premio Nobel. Al solito. Abbiamo eccellenze riconosciute a livello internazionale. Siamo bravi a macchia di leopardo perché le singole macchie sono generate dalla passione, competenza e cocciutaggine di pochi molto, molto bravi e che la cosa non ci consoli.

David J. Wineland dal suo canto si è occupato di come la luce incontra la materia. Sono già quattro i Nobel assegnati a scienziati che lavorano nell’ambito del National Institute of Standards negli ultimi 15 anni per attività che hanno a che fare con l’osservazione e misura degli atomi. Le cavie di Wineland sono atomi eccitati di berillio. Si intrappolano in un campo elettrico, si raffreddano a temperature vicine allo zero assoluto così da quasi immobilizzarli. Perché? Semplice: per avere un orologio di una precisione mai ottenuta prima.

Breve spiegazione. Gli atomi vibrano ed emettono radiazione a frequenze ben determinate. Quanto più sono freddi e dunque fermi, tanto più questa frequenza non viene sporcata dal movimento dell’atomo stesso. Gli orologi atomici oggi in uso sono basati su atomi di cesio che emettono frequenze nello spettro delle micro-onde. Ogni oscillazione un tic dell’orologio. Con la tecnica messa a punto da Wineland si ha un nuovo tipo di orologio atomico che usa ioni di alluminio –atomi eccitati di alluminio- che emettono nello spettro del visibile e sono 10 volte più precisi di un orologio al cesio. Secondo Wineland un orologio di questo tipo perde solo cinque secondi nell’arco temporale del cosmo, ovvero 13,7 miliardi di anni. Non male…

Haroche e Wineland sono stati premiati per il loro contributo all’evoluzione della tecnologia. Un processo di miglioramento lento e continuo. Il calcolatore quantistico grazie anche a loro è una promessa, non più una scommessa. Che dire… : grazie.