Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

Come funziona un computer quantistico

Probabilmente avete già sentito parlare di computer quantistici. Il vantaggio di leggere la spiegazione qui invece che sentirla da persone molto più affascinanti di me è che non ci sono occhi blu in cui perdersi.

Come dice giustamente il buon Justin, i computer quantistici non usano i normali bit, niente lunghe serie di 0 e 1. Al loro posto usano degli oggetti chiamati quantum bit, o qubit, che possono trovarsi in stati di sovrapposizione, possono essere 1 e 0 contemporaneamente.

L’idea è un po’ la stessa del gatto di Schrödinger che, finché non viene osservato, resta sia vivo che morto.

Il Prof. Andrea Morello dell’Università del New South Wales (Australia), spiega in un’intervista su Veritasium uno dei grandi vantaggi di usare i qubit: immagazzinare informazione in modo efficiente.

Due bit, dice Morello, possono avere quattro combinazioni di valori: 00, 01, 10, 11 e per descriverli sono necessari—spoiler—due bit (il valore del primo e quello del secondo).

Anche due qubit hanno quattro combinazioni. Se andassimo a misurarli, però, li troveremmo ogni volta un diverso in una diversa, e la probabilità di ognuna dipende da come abbiamo costruito la sovrapposizione. Per descrivere la sovrapposizione, quindi, ci serve sapere ciascuna delle probabilità, quindi 4 numeri*.

Sintetizzando, la quantità di informazione nei bit normali aumenta in proporzione a quanti ne usiamo, mentre quella nei qubit aumenta esponenzialmente. Mica male.

Un altro vantaggio dei computer quantistici è che possono manipolare la sovrapposizione stessa, senza misurare i qubit fino alla fine del calcolo. In questo modo possono usare tutte le combinazioni contemporaneamente e portare avanti molte operazioni in parallelo.

Questa abilità è inutile per gli usi quotidiani, ma aiuterebbe molto alcuni calcoli complessi, ad esempio, per capire come si ripiegano le proteine, che è fondamentale per scoprire nuove medicine. Per farlo, però, bisogna calcolare una dopo l’altra tutte le miriadi di combinazioni possibili, che è difficilissimo. I computer quantistici potrebbero simulare tutte le configurazioni in parallelo, sveltendo di molto l’operazione.

In teoria sappiamo praticamente tutto: come manipolare i qubit, che struttura devono avere i circuiti, come devono essere programmati i computer. Costruirli davvero, mettere insieme più di un paio di qubit sembra ancora molto molto complicato (nonostante notevoli recenti passi avanti).

Almeno per ora, tra il dire e il fare…

 

Credit: stefanieshank.tumblr.com

 

*Nota per attenti alla matematica:

Avrete notato che le probabilità devono sommare a 1, perciò si eliminerebbe uno dei numeri necessari per descrivere la sovrapposizione. Non me lo sono dimenticato, ma ho saltato l’argomento per brevità, semplicità e coerenza con quello che dice Morello nell’intervista. Resta il fatto che l’informazione contenuta nei qubit è esponenziale nel loro numero che sia 2^n o 2^n -1 bit.

 

Foto copertina: CC0 Wokandapix/pixabay.com

Con la citizen science tutti aiutiamo la ricerca

Nel 2000 ho fatto parte del più grande progetto di calcolo del mondo, aiutando a cercare segnali di vita intelligente nell’universo. Stavo iniziando il liceo. Tutto quello che ho dovuto fare è stato scaricare il salvaschermo SETI@home.

Scaricando il salvaschermo, mi sono preso un pacchetto di dati, che il mio computer analizzava quando non lo usavo. I dati venivano dal radiotelescopio di Arecibo (Puerto Rico), che scandaglia continuamente il cielo alla ricerca di possibili segnali da civiltà aliene, ma produce dati più velocemente di quanto si possano analizzare. Perciò i ricercatori hanno creato il salvaschermo, ottenendo l’aiuto di migliaia di nuovi computer.

Niente alieni. Ma il progetto continua ancora, con più di 120 mila utenti attivi.

La schermata di SETI@home. Credit: NASA

SETI@home è solo un esempio di citizen science: progetti scientifici che escono dai laboratori e si fanno aiutare dal grande pubblico. Analizzare le montagne di dati di Arecibo, infatti, non richiede competenze specifiche, ma solo tantissime persone e tempo.

Altri problemi, invece, sono troppo complessi anche per i migliori computer.

Ad esempio, sappiamo (in teoria) come si ripiegano le proteine, ma spesso le molecole sono troppo grandi e complicate da simulare esattamente. D’altra parte, però, anche differenze minime nella struttura possono avere grandi effetti sulla loro funzionalità.

Serve una soluzione creativa. Fortunatamente, gli umani ne trovano più dei computer. Per questo l’Università di Washington ha chiesto aiuto al pubblico, e l’ha fatto con lo strumento più coinvolgente possibile: un videogioco.

Sì chiama foldit ed è scaricabile gratuitamente dal sito dell’università. Lo scopo è ripiegare proteine virtuali, che però seguono le stesse regole di quelle reali. Più stabile è la conformazione che si trova più punti si fanno. Nel 2012, i partecipanti hanno trovato in poche settimane un indizio chiave per capire la struttura di un enzima coinvolto nella riproduzione dell’HIV, con cui gli scienziati si scontravano da anni.

Una schermata di Quantum Moves

Più di recente si è parlato di un nuovo gioco: Quantum Moves. Sviluppato in Danimarca, è disponibile per Windows, Mac, iOS e Android. Lo scopo del gioco è trasportare una specie di strano liquido da un punto all’altro sullo schermo. In realtà, stiamo facendo il lavoro di un tipo di computer quantistico, che calcola spostando singoli atomi da un posto ad un altro. Per giocare, però, non serve sapere nulla di meccanica quantistica: basta uno smartphone e pazienza.

Gli scienziati hanno già pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature che i giocatori hanno risolto alcuni dei problemi più efficientemente dei migliori algoritmi, fornendo indicazioni fondamentali per migliorarli.

La citizen science, quindi, crea non solo risultati concreti, ma anche entusiasmo per la ricerca, sui temi più disparati. Per prendervi un posto nella prossima grande scoperta basta una veloce ricerca su google!

 

Foto copertina: CC0 pixabay.com

Uno spezzatino di (quasi-)particelle

Ogni elettrone ha uno spin, una specie di bussola interna, che (semplificando un sacco) punta “su” o “giù”. Sparando dei neutroni contro un materiale e vedendo come rimbalzano, si può capire come interagiscono con lo spin degli elettroni e, quindi, come sono orientati gli spin.

In un esperimento con un particolare materiale (il cloruro di rutenio) sembra che gli spin puntino disordinatamente un po’ ovunque.

Un’interpretazione artistica del liquido di spin. In questo stato, gli elettroni sono orientati in modo disordinato, come le molecole di acqua in un bicchiere. Credit: Francis Pratt / ISIS / STFC

Questo nuovo stato, detto liquido di spin, appare se gli elettroni si “spezzano” in particelle: i fermioni di Majorana.

C’è solo un piccolo problema: gli elettroni non possono spaccarsi in parti perché sono un blocco unico. Come fanno allora i fermioni di Majorana ad esistere?

Strettamente parlando, non esistono. Gli elettroni non si spezzano davvero, però si comportano come se lo facessero. Perciò i fermioni di Majorana sono chiamati “quasi-particelle”: entità utili da includere nei modelli, ma impossibili da trovare in natura.

I fermioni di Majorana non erano mai stati osservati prima, ma hanno importanti applicazioni per i superconduttori e i computer quantistici.

 

Foto copertina: CC0 ikinitip, via pixabay.

Salto di livello per i computer quantistici

Come il celebre gatto di Schrödinger, anche i computer quantistici erano sia tra noi che no allo stesso tempo. Sapevamo tutto della teoria, ma non riuscivamo a costruirli. Ma questo potrebbe cambiare presto.

I ricercatori della University of New South Wales, in Australia hanno creato il primo gate logico in silicio per qubit. In altre parole, il primo pezzettino di un processore quantistico (i qubit sono l’equivalente quantistico dei nostri bit).

Il fatto che sia in silicio “rende la costruzione di un computer quantistico molto più fattibile”, ha detto Andrew Dzurak, coordinatore del gruppo, “perché è basato sulla stessa tecnologia produttiva dell’attuale industria elettronica”.

I computer quantistici sono enormemente superiori quando si tratta di fare molti calcoli in una volta, ma non sempre. Per gli usi quotidiani i computer classici sono probabilmente meglio.

Ma la ricerca di medicinali e materiali nuovi, per fare due esempi, farà passi da gigante.

Foto: Vintage Technology, CC-BY-NC Jeremy Brooks, via Flickr. Some rights reserved.