La fisica quantistica può disorientare, ma è cruciale per capire una delle grandi rivoluzioni tecnologiche dei nostri tempi. Scopri i concetti fondamentali dietro il calcolo quantistico in modo semplice e diretto. Unisciti a noi mentre esploriamo il concetto di Qubit, di Sovrapposizione e di Intreccio con Sabrina Maniscalco, professoressa di fisica quantistica e CEO di Algorithmiq, e con Caterina Foti che sta sviluppando una piattaforma per promuovere l'educazione su fisica quantistica attraverso la gamification.
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Facile come un gioco
Cristiano Matricardi: Benvenuti a Qubit, il podcast originale di Nature Italy che vi condurrà in un viaggio avventuroso nel mondo delle tecnologie quantistiche per scoprire le loro reali potenzialità, ma allo stesso tempo mettere in guardia da possibili idee sbagliate e falsi miti intorno alla parola quantum. Ci proponiamo in questo podcast di fornire le informazioni necessarie per navigare e analizzare criticamente le notizie riguardanti le tecnologie quantistiche che a volte sono di proposito clamorose e che rischiano di creare un divario troppo grande, ed essenzialmente poco utile, tra quello che viene dichiarato e la realtà dei fatti. Ogni settimana ospiteremo esperti d'accademia e aziende, ma anche editori e investitori per capire realmente quali sono le potenzialità e i limiti di queste tecnologie. Inizieremo capendo cos'è e che cosa compone un computer quantistico per poi ampliare il nostro campo di azione e scoprire tutte le diverse tecnologie quantistiche. Parleremo con professori ed esperti di informatica quantistica, analizzeremo cosa c'è dietro questo cosiddetto “hype”, per poi addentrarci nel cuore del nostro podcast, parlando con aziende attive nel campo dell'energia, della finanza, della medicina che stanno innovando in questa direzione. Questo è qubit.
Confrontandosi con la fisica quantistica può capitare di sentirsi spaesati. Il premio Nobel per la fisica Richard Feynman sosteneva che nessuno la capisce fino in fondo. La fisica quantistica ha portato non solo un'innovazione da un punto di vista tecnologico, ma anche da un punto di vista concettuale. Negli ultimi decenni, infatti, i progressi in questo campo sono stati strabilianti, tanto che oggi uno degli obiettivi dei fisici quantistici è quello di costruire macchine con una potenza di calcolo estremamente più grande di un semplice processore classico. Per intenderci il nostro smartphone o il laptop da dove lavoriamo. Stiamo parlando dei computer quantistici. Ed è qui che arriva la prima premessa importante. Per capire di cosa si tratta dobbiamo essere disposti a cambiare completamente il nostro punto di vista.
Ma quindi qual è la differenza che fa la differenza? Ecco, la fisica classica descrive il comportamento di oggetti macroscopici, ad esempio una palla da rugby. La fisica quantistica invece descrive il comportamento di oggetti infinitamente piccoli, ovvero atomi e particelle subatomiche. La fondamentale differenza è ovvia: nella prima abbiamo una palla, quindi, se la tiriamo in aria possiamo sapere la sua traiettoria e la sua posizione, mentre nella seconda la nostra palla diventa un elettrone. E qui le cose si complicano, perché, secondo i principi della meccanica quantistica, non siamo più in grado di conoscere esattamente la posizione e la velocità, che quindi, per l'appunto, diventano probabilità di trovare un elettrone in una certa posizione. Diventa tutto incerto. Capiamo bene quindi che se costruisco due processori, uno basato sulla meccanica classica, uno sulla meccanica quantistica, essi saranno fondamentalmente diversi. Per dirlo in altre parole, un processore quantistico non è semplicemente un computer normale, ma più potente. Non è un'evoluzione, bensì qualcosa che va a complementare quello che già abbiamo. Per fare un paragone un po tirato possiamo pensare ad una macchina e ad una barca. Per raggiungere il Marocco partendo dalla Spagna, non è solo diversa la durata del viaggio, ma sono due viaggi che avvengono in modo completamente diverso su superfici completamente diverse. Proprio perché intrinsecamente diverso è il funzionamento dei mezzi utilizzati. Lo scopo di questo podcast non sarà quello di trattare esaustivamente la fisica dei computer quantistici, però dobbiamo senza dubbio capire di cosa si tratta e da cosa è composto un computer quantistico. Lo faremo in modo semplice e diretto, definendo alcuni dei concetti che rappresentano i mattoni fondamentali di un computer quantistico: i qubit, il concetto di sovrapposizione e il concetto di entanglement, intreccio, quello che Einstein chiamava “Spooky action at a distance”. Per capire questa differenza ho invitato oggi qui su Qub-IT Sabrina Maniscalco, professoressa di fisica quantistica presso l'Università di Helsinki, nonché CEO di algorithmiq. Una start up che sviluppa algoritmi quantistici per le scienze biologiche.
00:04:59 Sabrina Maniscalco: I computer quantistici manipolano l'informazione quantistica sotto forma di qubit Quantum bits. Un quantum bit è un sistema quantistico, e lo stato di un sistema quantistico é formalmente descritto da un vettore che può essere quindi sommato ad un altro vettore, producendo un altro stato legittimo. Possiamo, in maniera intuitiva, pensare ai colori: se prendiamo tre colori primari come giallo, rosso e blu e li consideriamo come i tre stati base per il colore finale di un sistema quantistico, allora qualsiasi loro combinazione produce un nuovo colore e quindi un altro stato di colore che è perfettamente legittimo. È dunque vero che un qubit può essere sia acceso che spento, diciamo quindi sia zero che uno, ma può anche essere in tantissimi altri stati che sono quelli ottenuti combinando i due stati di base in tutti i modi possibili.
00:06:02 Cristiano Matricardi: Con l'analogia dei colori possiamo capire come il qubit si differenzia dal bit, l'unità di manipolazione dell'informazione dei computer classici, appunto. Se abbiamo dei colori tipo il giallo e il blu, possiamo mescolarli e ad avere un verde. Però modificando le quantità di giallo e blu andiamo anche a modificare il tipo di verde che otteniamo. Quindi è vero, possiamo avere un qubit che è o tutto giallo o tutto blu, oppure un'infinità di sovrapposizioni intermedie. E qui entra in gioco il secondo fattore, la sovrapposizione.
06:43: Sabrina Maniscalco. Possiamo possiamo esprimerla dicendo che qualsiasi combinazione di zero uno è uno stato ammissibile del nostro qubit ed è chiamato sovrapposizione. La sovrapposizione quantistica rappresenta un'incredibile risorsa ed è proprio questo che rende la fisica quantistica ricca di potenzialità e fornisce veramente delle nuove leve per modi più potenti di elaborare dati, di comunicare, di processare dati.
07:17 Cristiano Matricardi: Essenzialmente quindi il fatto di poter sovrapporre degli stati fondamentali ed ottenerne un'infinità di nuovi, è strettamente relazionato alle capacità di un computer quantistico di effettuare, ad esempio, calcoli paralleli oppure di avere una velocità di esecuzione di calcoli estremamente maggiore ai computer classici. Però come si sfrutta questa sovrapposizione e quali sono i limiti che dobbiamo tenere in considerazione.
07:47 Sabrina Maniscalco: In realtà dobbiamo stare un po attenti perché cercando di semplificare a volte si può dare l'impressione sbagliate. Dunque, affinché un computer quantistico sia utile. Dobbiamo a un certo punto ottenere un risultato cioè dobbiamo in qualche modo leggere il computer quantistico per capire qual è il risultato dell'algoritmo. Quando si esegue una misura su un sistema quantistico, tutte le caratteristiche quantistiche vengono però distrutte, compresa la sovrapposizione. E quindi ogni volta che noi osserviamo o misuriamo un qubit otterremmo sempre o “0” o “1” con una certa probabilità. Quindi la probabilità di misurare “0” o “1” è legata a dei numeri che chiamiamo ampiezze associate agli stati di base e quindi in genere nei calcoli dei computer quantistici gli scienziati trovano un modo di coreografare l'interferenza e dunque aumentare la possibilità di ottenere, chiamiamola, la soluzione giusta ed eliminare quelle sbagliate. Quindi non si tratta semplicemente di trovare tutte le risposte possibili in una sola volta in parallelo. La parte difficile è proprio dirigere la coreografia senza conoscere in anticipo il percorso giusto, ne´ risposta giusta.
09:20 Cristiano Matricardi: Quello che dice Sabrina essenzialmente si potrebbe riassumere in, fare amicizia con l'incertezza, fare amicizia con le probabilità, immedesimarsi, inserirsi in un mondo dove nulla è completamente certo al 100%, ma ci sono solo delle probabilità di avere un risultato piuttosto che un altro e cercare di modulare queste probabilità per ottenere una una calcolo. Ora abbiamo capito cos'è un qubit e che questo qubit può avere diversi stati che possono essere sovrapposti tra di loro. Queste due cose non bastano per poter far sì che un sistema quantistico riesca ad effettuare dei calcoli. Occorre un altro ingrediente, un altro agente fondamentale che è l'entanglement, ovvero intreccio. E questo fenomeno, appunto, entra in gioco quando abbiamo più qubits a disposizione che interagiscono tra di loro.
10:24 Sabrina Maniscalco. Due o più qubit possono essere correlati tra loro e chiamiamo correlazioni le relazioni tra sistemi fisici. L'entanglement è proprio una correlazione che può stabilirsi esclusivamente tra sistemi quantistici. In quel caso i sistemi, per esempio due qubits, si dicono entangled, ovvero, come dicevi tu, ingarbugliati. Quando questo accade, non è possibile considerarli separatamente come distinti. In qualche modo perdono la loro identità e dobbiamo considerare il loro stato composto come uno stato unico, in maniera simile a quello che abbiamo fatto per un singolo qubit e in conseguenza non possiamo investigare sperimentalmente lo stato di uno senza disturbare anche l'altro, perché sono una cosa sola. In altre parole, i risultati che otteniamo dalle misure su uno dei qubit influenzano anche l'altro, quindi sono correlati. Questa correlazione speciale può rimanere intatta tra sistemi quantistici a prescindere dal tempo che passa o dalla distanza spaziale. E questo era proprio quello che Einstein trovava difficile da digerire. In qualche modo ci si aspetta che l'entanglement, nel contesto delle tecnologie quantistiche, si riveli un ingrediente fondamentale. Abbiamo già indicazioni del fatto che questo è così e che sia una risorsa per gli algoritmi che girano nei computer quantistici. Infatti, è il motivo per cui ad ogni qubit aggiunto la capacità di informazione di un dispositivo quantistico aumenta esponenzialmente, mentre l'aggiunta di più bit nella stessa controparte classica genera soltanto un miglioramento lineare. Quindi questo è un po un'idea del perché l'entanglement sia alla base della potenza di calcolo dei computer quantistici.
12:40 Cristiano Matricardi. Attraverso questi tre elementi siamo quindi ora in grado di costruire anche solo mentalmente il nostro computer quantistico. Abbiamo capito quindi la fondamentale differenza tra un sistema classico e un sistema quantistico. Siamo anche consapevoli ora che i concetti sulla quale si basa un computer o un calcolo quantistico sono estremamente fugaci, sono basati su probabilità, sono controintuitivi ed è per questo che rimane di centrale importanza trovare il modo di familiarizzare con la fisica quantistica senza spaventarsi troppo e quindi includendo la maggior parte di persone, indipendentemente dalla propria età e dalle proprie competenze.
13:24 Caterina Foti: Confermo e sottoscrivo tutto quello che hai detto, infatti quando parliamo di alfabetizzazione e di divulgazione di fisica quantistica lo facciamo proprio con questo senso molto ampio del termine. Quindi veramente appunto come come stavi dicendo ad ampio spettro. Da bambine della scuola elementare a ragazzi del liceo ma anche a politici e dirigenti aziendali. Quindi veramente ad ampio spettro.
13:54 Cristiano Matricardi: Abbiamo appena ascoltato la dottoressa Caterina Foti che dopo un dottorato a Firenze sui fondamenti della fisica quantistica, si è trasferita ad Helsinki, dove tuttora coordina un progetto di divulgazione e didattica su fisica e tecnologie quantistiche ideato insieme a Sabrina e sviluppato e portato avanti da un team dinamico e multidisciplinare.
14:21 Caterina Foti: L'idea della gamification e del grosso potenziale che c'è nei giochi non è la nostra idea, è un qualcosa che ormai viene applicato da tanti anni, è stato studiato e si sa essere uno strumento efficace per creare engagement, per creare intuizione, quando si vuole comunicare dei concetti ma anche per attivare la creatività di chi apprende in un modo che è diverso e che e che spesso funziona. Quindi siamo arrivati all'idea di sfruttare il gioco come strumento utile e non solo divertente e permettere alle persone di costruire la consapevolezza intorno ai vari concetti di fisica quantistica e di tecnologie quantistiche. Un po per strati, percorrendo tutto il tragitto che va dall'intuizione attraverso il gioco fino proprio alla formalizzazione, quella matematica.
15:30 Cristiano Matricardi: Concetti astratti richiedono approcci astratti per poter essere studiati. Ma c'è un problema. Lo strumento astratto per eccellenza è uno strumento che può spaventare e che quindi può fornire una fortissima barriera all'ingresso, allontanando dai concetti le persone che non sono, diciamo, addetti ai lavori.
16:05 Caterina Foti: Quello che abbiamo fatto per provare a ovviare a questa cosa qua è stato creare un approccio che prevede tre tre fasi che noi abbiamo chiamato Play Discovery and Learn, e che non devono essere necessariamente in quest'ordine. Ad gni modo, siccome persone diverse imparano in modo diverso, e se poi usando intelligenze diverse, l'idea è quella di usare più risorse possibili, più intelligenze possibili per costruire la consapevolezza intorno a un concetto. Quindi diciamo Play è legato appunto al gioco e all'idea di creare l'intuizione di un determinato concetto anche appunto usando videogiochi e attività interattive e divertenti. La parte di Discover è più legata allo esplorare il concetto, magari sfruttando esperimenti e spiegazioni che ancora sono a parole e che riguardano più il costruire l'intuizione del concetto fisico con degli esperimenti. E poi la parte Learn che è quella dove arriva il formalismo e la matematica. Tutti questi tre aspetti sono importanti per sviluppare in realtà quello che è il vero messaggio dietro i concetti di fisica quantistica. Quindi non soltanto la formalizzazione ma è importante l'intuizione, è importante l'esperimento.
17:37 Cristiano Matricardi: I concetti della fisica quantistica sono entrati nelle nostre vite poco più di 100 anni fa e comparato quindi con la fisica classica questi concetti sono veramente molto giovani. Dobbiamo quindi fare uno sforzo molto grande per poter essere consapevoli di quello che abbiamo tra le mani. Inoltre c'è da specificare che la meccanica quantistica e tutti i concetti della meccanica quantistica vanno ben oltre il “semplice calcolo quantistico” e hanno implicazioni filosofiche di altissimo livello. Ecco, io non so come ti immagini Caterina, una società fra 20 anni completamente alfabetizzata sulla fisica quantistica.
[Caterina Foti] [00:18:25] Io sono molto ottimista come persona e sono una grande fan entusiasta della della fisica quantistica. Per me il mondo è un mondo quantistico, quindi io non vedo l'ora che che le persone se ne possano appropriare. Quindi con questa premessa di ottimismo quello che mi piacerebbe tra vent'anni è che potessimo tutti vivere in una società in cui siamo riusciti a farci davvero qualcosa di utile con le tecnologie quantistiche. Quindi siamo riusciti a sfruttare i computer quantistici per aiutarci nelle grandi sfide del nostro tempo. La cosa più bella sarebbe che per noi a quel punto, fra vent'anni, la fisica quantistica fosse qualcosa di familiare e che non ci spaventa più, nonostante a volte ci sia questa percezione di controintuitività. Però ogni volta mi viene da pensare a qualche secolo fa, quando le persone, guardando il cielo, giustamente pensavano che fosse il sole a girare intorno alla terra e non viceversa, perché tutti i giorni è quello che vediamo. Ma ora, quando guardiamo il cielo, anche se vediamo muovere il sole, sappiamo che in realtà è la terra che ci gira intorno e non viceversa. Ecco, mi piacerebbe un qualcosa del genere per la fisica quantistica.
19:53 Cristiano Matricardi: Ci portiamo quindi a casa degli insegnamenti fondamentali. Il primo tra tutti è che il computer quantistico è complementare e completamente diverso da un computer classico. Questo lo abbiamo capito perché i mattoni fondamentali per costruirlo sono completamente diversi. Ed ecco quindi che è importantissimo familiarizzare con i concetti della fisica quantistica, perché non è solo interessante, ma anche fondamentale per costruire una società che possa realmente trarne beneficio. E come Caterina alludeva nella sua ultima risposta, i computer quantistici sì, potranno, si spera in futuro, portare ad una rivoluzione tecnologica. Ma ritiene anche che la capacità di questi computer di rappresentare la natura quantistica dell'universo sia un aspetto molto, se non a volte più interessante, di quello del mero calcolo quantistico.
Qubit è un podcast originale di Nature Italy, Scrittura e cura editoriale Cristiano Matricardi e Nicola Nosengo; Postproduzione e montaggio Cristiano Matricardi.
