Le… chiavi di Schrödinger?

Se non trovo le chiavi, possono essere sul comò in entrata, nascoste sotto un giornaletto pubblicitario, o magari le ho dimenticate attaccate alla porta. Finché non le trovo, ovviamente, non so quale. È un po’ come sigillare un atomo radioattivo in una scatola e lasciarlo isolato lì: finché non apro la scatola, non so se è decaduto o no.

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Barzellette… quantistiche?

Vi direi una barzelletta sulla chimica, ma non otterrei nessuna reazione.

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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

La porta del mondo microscopico

Alla Domenica Sportiva tedesca fanno un gioco in cui il concorrente deve fare goal tirando in una porta da calcio quasi interamente coperta. Farlo con un pallone è difficile, ma farlo con delle particelle ha rotto la fisica dell’Ottocento.

Rendiamo il gioco più semplice: diciamo che, invece dei due buchi, abbiamo due fenditure alte quanto lo schermo. Ora mettiamo un muro bianco dietro lo schermo, tiriamo un sacco di volte e guardiamo dove il pallone lascia le impronte sul muro. Chiaramente, disegneranno grosso modo la forma delle fenditure.

Il gioco ha senso solo se le aperture sono poco più grandi del pallone: troppo piccole e diventa impossibile, troppo grandi e son capaci tutti. Allo stesso modo, facendo le fenditure piccole abbastanza, possiamo farlo con delle particelle.

In un esperimento, per esempio, ogni secondo un elettrone veniva “calciato” verso uno schermo esattamente come quello che ho descritto (che coincidenza!). Questo video mostra le loro impronte.

Non proprio la forma delle due fenditure, eh? Ogni elettrone si comporta come se passasse da entrambe le fenditure contemporaneamente, come se interferisse con se stesso.

Questo dimostra che un elettrone può essere in “una sovrapposizione di stati di posizione”, che è come i fisici pomposi dicono “può stare sia qui che lì”. La capacità delle particelle microscopiche di essere in stati sovrapposti, di essere qualcosa e qualcos’altro contemporaneamente, si chiama principio di sovrapposizione.

È solo una delle strane regole del mondo microscopico, che cerchiamo di scoprire da un secolo. C’è ancora tanto che non sappiamo, ma questo prodigioso viaggio è appena iniziato.

Foto: Torwand!, CC-BY-NC Mika Meskanen, via Flickr. Some rights reserved.

Gattini e no

C’è scatola sigillata con dentro un gatto e un marchingegno in grado di ucciderlo appena un atomo radioattivo decade. Se aprissimo la scatola, troveremmo il gatto vivo o morto? E come sta il micio finché la scatola è chiusa?

Si tratta, in estrema sintesi, dell’esperimento (mentale: nessun gatto è stato maltrattato!) del “Gatto di Schrödinger“, che prende il nome dall’eminente fisico Erwin Schrödinger, uno dei padri della fisica quantistica. Come forse avrete sentito dire, finché non apriamo la scatola, il gatto è simultaneamente sia vivo che morto.

Il motivo di questa stranezza è uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione. Semplificando, nel microscopico mondo dei quanti, alcune proprietà possono “avere più valori contemporaneamente” (in un certo senso). Ad esempio, è come se un elettrone fosse in due posti allo stesso tempo*. Almeno finché non andiamo a misurarlo. Allora, in un certo senso, “decide” dove farsi trovare. E non è solo un’illusione, finché non lo cerchiamo l’elettrone è veramente in più posti.

Il principio di sovrapposizione funziona. Davvero. Hanno fatto degli esperimenti. La natura microscopica descritta dalla teoria quantistica è, quindi, profondamente diversa da quella macroscopica classica a cui siamo abituati.

Le regole del nostro mondo macroscopico non funzionano quando parliamo di particelle microscopiche e le regole quantistiche non valgono per i gatti. Usando le regole di un mondo nell’altro porta a paradossi: un gatto non può essere sia vivo che morto, e un atomo può comportarsi come sia decaduto che no.

Proprio qui mirava Schrödinger piazzando un oggetto quantistico (l’atomo radioattivo) assieme ad un oggetto classico (il gatto). E questa è la meraviglia e la “magia” del mondo quantistico: è tutto diverso e governato da leggi diverse.

Foto: Cat CCTV, CC-BY-SA Takashi Hososhima, via Flickr. Some rights reserved.

 

*Correzione: l’articolo originariamente diceva che le particelle hanno davvero diverse proprietà, tipo l’elettrone può essere in più posti allo stesso tempo. Anche come semplificazione, era un po’ fuorviante.