Alle origini delle tecnologie quantistiche

*Nella foto Werner Heisenberg uno dei padri della meccanica quantistica e delle tecnologie quantistiche

Dalla crittografia ai sistemi militari, le tecnologie quantistiche promettono di ridefinire sicurezza, calcolo e rapporti di forza globali. Ma tutto nasce da teorie elaborate un secolo fa.

Per capire il quantum computing bisogna tornare indietro di cento anni, alla nascita della meccanica quantistica. Ugo Moschella, professore di Fisica Teorica all’Università dell’Insubria, spiega perché il quantum computing affonda le sue radici nella fisica teorica del Novecento, quali siano i limiti ancora aperti della nostra comprensione della realtà e perché la corsa alle tecnologie quantistiche sia destinata a diventare sempre più una questione di potere e sovranità.

Il quantum computing viene spesso raccontato come una rivoluzione tecnologica e industriale. Quanto delle sue potenzialità nasce invece dalla ricerca pura in fisica teorica?

Il quantum computing nasce da una rivoluzione nella conoscenza della natura iniziata cento anni fa, nel 1925, con la nascita della meccanica quantistica grazie a Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Fermi e altri grandi fisici. Senza quel cambiamento radicale non esisterebbe nulla di ciò che oggi chiamiamo tecnologie quantistiche.

Negli anni Ottanta fisici come Richard Feynman hanno iniziato a comprendere che non solo la meccanica quantistica descrive il mondo delle particelle atomiche e subatomiche, ma che il comportamento collettivo di queste particelle poteva essere utilizzato per fare calcoli impossibili per un computer classico.

Sia il computer classico sia quello quantistico si fondano sulle leggi dell’elettrodinamica. Il primo sull’elettrodinamica classica, il secondo su quella quantistica. In entrambi i casi parliamo di scoperte nate nella fisica teorica e diventate applicazioni concrete molti decenni dopo.

La meccanica quantistica descrive una realtà profondamente diversa dall’esperienza quotidiana. Quanto è difficile tradurre concetti come sovrapposizione o entanglement in tecnologie concrete?

È molto complicato e riguarda due aspetti diversi. Il primo è la costruzione dell’hardware: bisogna riuscire a realizzare sistemi fisici collettivi composti da molti qubit che si comportino in modo coerente. Il secondo riguarda gli algoritmi, cioè trovare il modo di sfruttare quel comportamento collettivo per ottenere risultati impossibili per un computer tradizionale.

Un computer classico esamina una possibilità alla volta. È come avere davanti una serie di porte chiuse e aprirle una per una per trovare quella giusta. Un computer quantistico può per così dire aprire tutte le porte contemporaneamente. Poi deve comunque capire quale sia quella giusta, ma il salto concettuale è enorme. Va però chiarito un punto: il computer quantistico non sostituirà il computer classico nelle attività quotidiane.

Non servirà per scrivere testi o navigare online. Sarà invece fondamentale per affrontare problemi estremamente complessi che un computer tradizionale non riuscirebbe a risolvere nemmeno nel tempo di vita dell’universo.

Oggi si parla molto di sovranità digitale e sovranità quantistica. Cosa significa davvero controllare una tecnologia quantistica?

Queste tecnologie rappresentano una nuova corsa allo spazio. Chi riuscirà a dominarle avrà un vantaggio enorme. Pensiamo alla crittografia: tutte le comunicazioni sensibili, dagli scambi bancari ai segreti militari, sono protette da sistemi crittografici che un computer classico impiegherebbe tempi enormi a violare.

Un computer quantistico sufficientemente avanzato potrebbe invece decodificare queste informazioni in tempi relativamente brevi. Per questo si parla già di ‘Q-Day’, il giorno in cui i sistemi crittografici attuali saranno violati. Molti attori sulla scena internazionale stanno accumulando dati crittografati oggi, aspettando il momento in cui sarà possibile decifrarli. Ecco perché la questione riguarda direttamente la sicurezza nazionale e la sovranità tecnologica già adesso.

Inoltre, se in futuro dovessimo dipendere da infrastrutture quantistiche straniere, americane o cinesi, ci troveremmo in una situazione di dipendenza strategica. Basterebbe che quei servizi venissero spenti o resi inaccessibili per lasciarci senza protezione.

Molte tecnologie che utilizziamo oggi derivano da scoperte teoriche fatte decenni prima. Esistono oggi aree della fisica teorica che potrebbero generare innovazioni radicali ancora difficili da immaginare?

La novità non nasce mai da una semplice miglioria tecnica. Nasce sempre da una comprensione più profonda della realtà.

Il Gps è un esempio perfetto. Se funziona, è anche grazie alla relatività generale di Einstein. Gli orologi sui satelliti scorrono a una velocità diversa rispetto a quelli sulla Terra, perché la gravità modifica il tempo. Se gli ingegneri non avessero corretto questo effetto previsto dalla teoria di Einstein, il Gps smetterebbe di funzionare correttamente nel giro di pochi minuti.

Oggi ci sono aree della fisica teorica che potrebbero avere un impatto enorme sulle tecnologie future. Penso ai materiali topologici o ai nuovi materiali bidimensionali. Potrebbero permettere computer molto più efficienti, che consumano meno energia e utilizzano proprietà quantistiche come lo spin degli elettroni invece della loro carica. Le scoperte della fisica teorica di oggi modelleranno inevitabilmente la tecnologia di domani.

Molti aspetti fondamentali della fisica restano ancora irrisolti. Questo potrebbe influenzare l’evoluzione futura delle tecnologie quantistiche?

Per quanto riguarda il quantum computing, i fondamenti teorici esistono già. La meccanica quantistica funziona e non serve cambiare paradigma. Il problema è soprattutto tecnologico: bisogna trovare materiali e soluzioni pratiche che permettano di realizzare queste possibilità teoriche. Bisogna poi trovare gli algoritmi che permettano di usarli.

Esistono però aspetti della fisica che restano profondamente misteriosi. Il principale è l’incompatibilità tra meccanica quantistica e relatività generale. Nessuno è ancora riuscito a costruire una teoria che descriva insieme gravità e fenomeni quantistici.

Questo non crea problemi immediati per il quantum computing, ma rappresenta un limite profondo nella nostra comprensione della realtà. È un problema che riguarda anche la coerenza e, in un certo senso, l’estetica della fisica.

Il quantum computing viene spesso descritto come una corsa geopolitica tra Stati Uniti, Cina ed Europa. Quanto rischiamo di ridurre una trasformazione scientifica profonda a una semplice competizione tecnologica?

In un mondo segnato da conflitti e rivalità geopolitiche, queste tecnologie diventano strumenti di potere.

Chi possiede capacità quantistiche avanzate potrà decifrare comunicazioni, elaborare dati strategici e ottenere vantaggi enormi rispetto agli altri. È inevitabile che abbiano anche un interesse militare.

Da questo punto di vista, la corsa al quantum computing non è diversa dalla corsa allo spazio o da altre competizioni tecnologiche legate alla supremazia geopolitica. Ma si sa, che gli uomini tendono più spesso a combattersi invece che lavorare insieme.