Fisici, felini e fotoni. Dietro le quinte del Nobel per la Fisica 2022, di Antonio Cagni


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Categorie: Scienza e Tecnologia

Il Nobel per la fisica 2022 è stato assegnato a tre scienziati: Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger (tutti fra i 75 e gli 80 anni, uno è francese ed ha i baffi, uno è californiano e sembra austriaco, uno è austriaco e sembra californiano).
Ricordandomi di essere laureato in fisica, sono andato a cercare la motivazione. "Il premio Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato ad A. Aspect, J. F. Clauser e A. Zeilinger per gli esperimenti con i fotoni entangled, stabilendo la violazione delle disuguaglianze di Bell e aprendo la strada alla scienza dell'informazione quantistica".
E non ci ho capito niente, anche se dovrei. Sia perché di formazione sono un fisico, sia perché ho respirato a lungo aria di scienza dell'informazione. D'altra parte, i Nobel sono un po' dei premi alla carriera, e gli esperimenti a cui si riferisce la motivazione risalgono a quarant'anni fa, quando io cominciavo il mio variopinto percorso lavorativo.
Cosa saranno mai i fotoni "entangled"? Cioè, che sarà mai l'entanglement? Si può tradurre "intreccio", o più prudentemente "correlazione", ma non basta: meglio dire "correlazione quantistica". E con questo abusato aggettivo entriamo nel mondo dei paradossi, come il gatto di Schroedinger. Questo felino sta in una scatola e potrebbe essere vivo o morto. Ora, per il fisico quantistico nessuna cosa "è" finché non si interagisce con essa, e lui preferisce dire che si tratta di un gatto contemporaneamente vivo e morto, nella sua scatola, finché non apriamo la scatola, cioè finché non lo osserviamo.
Torniamo all'entanglement. Ci sono reazioni tra particelle elementari che generano coppie di altre particelle. Se noi osserviamo lo stato quantistico di queste coppie, ci accorgiamo che alcune caratteristiche della coppia sono correlate tra loro. Magari succede che due fotoni, oltre a tutto il resto, girano come delle trottole uno a destra e uno a sinistra. Fin qui tutto ok. Bizzarrie dei fotoni, anche di quelli entangled. Il problema è che non si limitano a girare, ma (essendo luce) viaggiano nello spazio a trecentomila km al secondo, che è la velocità della luce. Questo è un limite insuperabile nello spazio-tempo come lo conosciamo fino ad ora, senza scomodare Star Trek e tutta la fantascienza.
Ci vuole un passo avanti. Il principio di località. Tutta la fisica ha sempre ritenuto che un sistema fisico (come i due fotoni entangled di prima) evolve in base a ciò che succede nelle immediate vicinanze, come ad esempio la palla da biliardo e la stecca che la colpisce in un punto. L'interazione tra la palla da biliardo e la Luna c'è, in genere trascurabile ai fini del movimento della palla, ma in ogni caso necessita di una forza di "azione a distanza", in questo caso la forza di attrazione gravitazionale.
E per i due fotoni entangled? Se io sono un fisico quantistico nel mio laboratorio di Acicastello e vedo che uno dei due fotoni ruota verso sinistra, so immediatamente che l'altro fotone c'è e ruota verso destra. Magari posso predire qualcosa sul suo comportamento. Me ne impipo altamente del fatto che l'evento locale che ha generato il sistema entangled è avvenuto al polo Nord, e sono tutto contento di aver contraddetto il principio di località, perché per me l'altro fotone comincia ad esistere quando io osservo il primo. E non c'è bisogno di cercare nuove forze a distanza, o "variabili nascoste", come diversi scienziati hanno proposto.
Ovviamente comincio a rischiare la sanità mentale, ma come fisico quantistico ci sono abituato. Non solo, ma posso dire cose sull'altro fotone che sono vere (c'è un fotone e gira a destra!), ma possono precedere l'esistenza, ossia l'osservazione, del secondo fotone, o essere indipendenti dal tempo e dallo spazio (sempre per come li conosciamo adesso). Su Proxima Centauri il secondo fotone arriverà fra più di quattro anni, tutti risparmiati. È come rendere praticamente infinita la velocità della luce, alla faccia del povero Einstein.
Naturalmente questo è un discorso qualitativo, ma lo si può condurre con rigorosissime descrizioni logico-matematiche. Le diseguaglianze di Bell appartengono a questo reame, e sono la via matematica per descrivere il principio di località. Forse una buona metà della matematica esistente è utilizzata, o è stata creata, per descrivere problemi quantistici.
Ora andiamo alla seconda motivazione, la (neonata) scienza dell'informazione quantistica. Anche qui c'entra molto la matematica. Se il gatto di Schroedinger è contemporaneamente vivo e morto, il fisico quantistico e l'inorridito matematico preferiscono (per non impazzire) parlare di sistema quantistico "gatto" caratterizzato da una certa funzione che esprime la probabilità di osservarlo vivo o morto. In questo caso il sistema gatto è molto semplice, e i due stati possibili che ci interessano sono mutuamente esclusivi; quindi, le probabilità sono uguali e pari al 50 per cento.
Ma né il fisico né il matematico possono rinunciare a descrivere sistemi molto più complessi. Ad esempio, una popolazione di cinquanta gatti arrabbiatissimi gli uni con gli altri, che si fanno la guerra, quelli bianchi contro quelli neri, e di cui si vuole scrivere la funzione di probabilità che vincano quelli mezzi grigi e mezzi neri. Così il fisico lascia i compiti al matematico: quando hai finito di fare i conti dimmelo, che io mi invento due o tre esperimenti per vedere se le tue belle equazioni funzionano, e magari consentono di contemplare casi a cui non avevamo pensato.
E così i matematici, ma anche i fisici con propensione teorica, hanno cominciato a farsi degli strumenti matematici. Sostanzialmente sono basati sull'analisi di enormi tabelloni pieni di dati e di probabilità (si chiamano matrici), e questa analisi è finalizzata a pervenire all'agognata funzione di probabilità.
Tutto questo lavorio non è stato mai estraneo alle tecniche computazionali. In fondo si tratta di cercare e mettere a punto, con estro, sudore e lacrime, degli algoritmi efficienti.
Intanto i sistemi di elaborazione esistenti sono stati diffusamente utilizzati per i calcoli matriciali, fin da quando i computer (della potenza di un telefonino scarsissimo) a stento entravano in una stanza.
Ma poi si è cominciato a progettare computer in cui l'hardware fosse particolarmente vicino ai fatti elementari in cui l'algoritmo scomponeva il problema da risolvere. Il computer, esso stesso, diventa un'ordinata ed efficiente collezione di generatori, rivelatori e analizzatori di sistemi quantistici. Certo, bisogna inventarsi la tecnologia necessaria per portare i laboratori di fisica dentro un contenitore con spina per la corrente, video e tastiera (ed anche sistemi operativi e linguaggi di programmazione), ma dal 1970 ad oggi l'hanno fatto. Ne esistono diversi e funzionano.
Chi l'avrebbe mai detto... torna utile il gatto di Schroedinger: finché non viene osservato, un sistema quantistico rappresenta molti stati possibili (per il felino solo due), che verranno precisati successivamente. è il vecchio "principio di sovrapposizione" degli stati quantici, formulato proprio da Schroedinger nel 1925. Questo è molto utile nella stesura di algoritmi che trattino sistemi complessi, e di fatto genera un "vantaggio quantistico" di questa architettura computazionale.
A che serve? Intanto, a studiare come evolvono i sistemi complessi, siano essi sistemi quantistici, o uragani, o comportamenti, anche commerciali o elettorali, delle masse di individui. Serve anche a impedire che soggetti indesiderati ficchino il naso in una conversazione riservata. Con un computer tradizionale, per violare un sistema di crittografia a chiave pubblica e chiave privata (come la sbandierata "crittografia end-to-end" di Whatsapp) servono qualcosa come decine o centinaia di ore di elaborazione.
La crittografia è come l'eterno conflitto tra guardie e ladri. I tempi lunghi per violare una chiave rendono praticamente inattaccabile il sistema di crittografia: in decine di ore le guardie fanno in tempo a scambiarsi nuove chiavi, e i ladri perdono la partita perché trovano sempre chiavi non più utilizzate. Pare che ad un elaboratore quantistico, dotato di opportuni algoritmi, per violare una chiave crittografica bastino trentacinque millisecondi, e i ladri vincerebbero...

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