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Il Nobel per la fisica ai computer superveloci

CRONACA – Il premio Nobel per la Fisica 2012 è stato assegnato ai ricercatori Serge Haroche e David Wineland, per i loro lavori in fisica quantistica. I due hanno progettato indipendentemente metodi innovativi che hanno permesso d’isolare, misurare e manipolare particelle individuali senza comprometterne la natura quantistica.

Specialista di fisica atomica e ottica quantistica, Haroche, 68 anni, è uno dei pionieri dell’elettrodinamica quantistica in cavità, un campo che ha tra i suoi scopi la realizzazione di prototipi basati sull’elaborazione quantistica dell’informazione. Docente al Collège de France di Parigi, il Nobel francese lavora ai laboratori Kastler Brossel, che fanno parte della Scuola Normale superiore della capitale francese.

Wineland, coetaneo di Haroche, ha percorso la sua intera carriera accademica negli Stati Uniti, dove lavora all’Istituto nazionale per gli standard e la tecnologia (NIST) di Boulder. Wineland studia il raffreddamento laser di ioni, il loro confinamento in trappole elettriche, e l’uso di ioni intrappolati per eseguire operazioni di computazione quantistica.

Haroche e Wineland hanno aperto la strada a una nuova era di esperimenti, dimostrando che è possibile osservare direttamente sistemi quantistici individuali senza distruggerli. Grazie ai loro ingegnosi metodi di laboratorio, i due sono riusciti a misurare e controllare i fragilissimi stati quantistici, permettendo al loro campo di ricerca di compiere i primi passi verso la costruzione di un nuovo tipo di computer superveloci. I loro metodi hanno anche portato alla costruzione di orologi particolarmente precisi, che potrebbero diventare in futuro la base per un nuovo standard nella misurazione tempo, e che sono dotati di una precisione oltre cento volte superiore a quella degli orologi al cesio attuali.

Nel caso di particelle individuali di luce o di materia, le leggi della fisica classica non sono più applicabili, e subentra la fisica quantistica; tuttavia, non si riesce a isolare facilmente dall’ambiente circostante le singole particelle, che perdono le loro proprietà quantistiche non appena interagiscono col mondo esterno. Per questo motivo, molti dei fenomeni in apparenza insoliti predetti dalla quantomeccanica non potevano essere osservati direttamente, e i ricercatori dovevano limitarsi a immaginare ‘esperimenti mentali’ con cui si potesse in principio spiegare il fenomeno inatteso.

I metodi usati dai due hanno molti lati in comune ma, mentre Wineland intrappola atomi elettricamente carichi, controllandoli e misurandoli usando dei fotoni, Haroche segue il percorso inverso: controlla e misura fotoni intrappolati, facendo passare gli atomi attraverso una trappola.

Evocando il famoso (almeno tra i fisici) paradosso del gatto di Schrödinger, si può dire che i due Nobel siano riusciti a mostrare in dettaglio come l’atto della misurazione faccia assumere al gatto uno stato definito di morte o di vista, e provochi la scomparsa dello stato sovrapposto morte-vita. Al posto del gatto di Schrödinger, Haroche e Wineland intrappolano particelle quantistiche e le mettono in stati di sovrapposizione simili a quelli del gatto.

Una delle possibili applicazioni delle trappole per ioni sono i computer quantistici. Nei computer attuali, basati sulla fisica classica, la più piccola unità d’informazione è il bit, che può assumere i valori 1 o 0. In un computer quantistico, invece, l’unità d’informazione – un bit quantistico o qubit – può essere 1 e 0 contemporaneamente. Il gruppo di Wineland è stato il primo a eseguire un’operazione quantistica con due qubit e, in linea di principio, non ci sono ragioni perché il loro numero non possa essere aumentato. L’uso dei qubit al posto dei bit classici velocizzerebbe enormemente i calcoli dei computer (qui è spiegato il perché).

Per arrivare a tanto, però, occorrerà un enorme sforzo ingegneristico, in modo da soddisfare due criteri opposti: i qubit devono essere adeguatamente isolati dall’ambiente, in modo da non distruggere le loro proprietà quantistiche, ma devono anche essere in grado di ‘comunicare’ col mondo esterno per trasmettere i risultati dei loro calcoli. Se si riuscisse a costruire il computer quantistico entro questo secolo, la rivoluzione che porterebbe nelle nostre vite sarebbe radicale quanto l’introduzione del computer classico nel secolo scorso.

Di seguito riportiamo, dal sito web Nobelprize.org, due interviste audio ai Nobel.

Serge Haroche: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/haroche-interview.html

David Wineland: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/wineland-interview.html

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