Come le Tecnologie Quantistiche cambieranno il nostro futuro

Grazie alla "Seconda Rivoluzione Quantistica", si possono manipolare particelle singole, aprendo nuove possibilità di comunicazioni, calcoli avanzati e sensori innovativi: tutte le applicazioni attuali e le possibili soluzioni future

La maggior parte di noi ha avuto modo di imbattersi qualche volta nella vita, nella lettura di romanzi, o nella visione film impregnati delle talvolta incomprensibili scoperte della fisica del ‘900: la fisica dei quanti, la relatività di Einstein, che hanno ispirato innumerevoli storie di fantascienza dalle trame a volte affascinanti quanto contorte (“Interstellar” di Christopher Nolan, un esempio tra tutti).

Pochi di noi riflettono che quelle stesse teorie così complesse sono alla base delle tecnologie, che negli ultimi 30 anni hanno stravolto le nostre abitudini.

Internet, i motori di ricerca, i Social Networks sono come grandi e complicate ricette che per esser cucinate hanno bisogno di 2 ingredienti fondamentali: computer potenti per fare calcoli rapidissimi su enormi moli di dati e autostrade di fibra ottica che spostano quei dati per tutto il pianeta in frazioni di secondo

E a sua volta questi 2 ingredienti contengono rispettivamente 2 oggetti fondamentali, il cui funzionamento non sarebbe spiegabile senza la fisica quantistica di cui dicevamo all’inizio: il transistor di silicio che compone qualsiasi computer, smartphone o tablet e il laser che è indispensabile per lanciare centinaia di miliardi di byte di dati nelle fibre ottiche alla velocità della luce fino alle nostre case ed uffici.

Per capire come funziona un transistor o un laser e per costruirlo, serve conoscere le regole di quella misteriosa partita a poker, che la natura gioca con mazzi di carte fatti di miliardi e miliardi di particelle di luce (fotoni) o di materia (elettroni, atomi) che compongono l’universo.

E poi usare quelle regole per migliorare la vita di tutti i giorni come abbiamo fatto negli ultimi decenni.

Ora però, proprio mentre tutto questo è diventato realtà, nei Laboratori di Ricerca di tutto il mondo si stanno mettendo a punto nuove ricette molto più raffinate rispetto a quelle di cui parlavamo poco fa per la fabbricazione di laser e transistor, e che potrebbero nei prossimi anni metterci a disposizione nuovi dispositivi e macchine dalle potenzialità inimmaginabili.

E, per rimanere nella metafora, le ricette per costruire queste nuove macchine dovranno avere l’accuratezza di quelle di uno Chef Stellato e rispetto a queste, quelle che usavamo per fabbricare i nostri smartphone o costruire i laser che fanno funzionare la Internet di oggi sembreranno … le Ricette della Nonna

E allora vediamo brevemente cosa sta succedendo in questi laboratori, cosa potrà uscire e come ci cambierà la vita.

Cominciamo col dire che la vera rivoluzione sta nel fatto che i ricercatori ora, a differenza che nel passato, sono in grado di manipolare gli elettroni, gli atomi, i fotoni di cui dicevamo sopra, non più solo a gruppi di miliardi e miliardi tutti insieme, ma addirittura uno alla volta. Questa è la cosiddetta Seconda Rivoluzione Quantistica, opposta alla Prima che è quella del ’900 di cui abbiamo parlato sopra.

E allora quando riusciamo a manipolarli con questa precisione possiamo usare le straordinarie proprietà del mondo microscopico che la Fisica quantistica ci ha insegnato e che non valgono nel nostro mondo macroscopico e sfruttarle nelle nuove macchine che vogliamo costruire

Possiamo ad es. utilizzarli per trasferire dati e allora li chiameremo qubit (analoghi a dei bit, ma con proprietà quantistiche) e sfruttare una delle regole del loro mondo, il Principio di Indeterminazione di Heisenberg: se decidiamo di misurarli, allora li perturbiamo e loro cambiano il loro stato.

Così quella informazione scritta nei qubit è definitivamente al sicuro da qualunque intercettazione, perché qualunque misura di un intercettatore esterno lascerà una traccia indelebile e la nostra sicurezza è assicurata dalle leggi di natura. Questo è il dominio delle Quantum Communications

Gli stessi qubit si comporteranno in maniera ugualmente bizzarra se invece che per trasmettere l’informazione li utilizziamo per realizzare dei computer di nuova generazione, i cosiddetti Quantum Computer.

In questo caso i qubit ancora una volta ci sorprendono, perché per loro non vale che, come diciamo per gli oggetti di tutti i giorni, non possono essere contemporaneamente rossi e verdi, oppure ruvidi e lisci, o chissà quali altre proprietà contraddittorie, allo stesso tempo. Un qubit, a differenza di un bit, può essere contemporaneamente 0 e 1 nello stesso istante, e questo vale anche quando i qubit sono 100, 1000 o milioni.

Perciò con un Computer Quantistico potremmo fare i nostri calcoli considerando in contemporanea situazioni e condizioni diverse o alternative, con un’accelerazione del calcolo che ci permetterà un giorno, di fare in millisecondi operazioni che il più potente dei calcolatori moderni farebbe in parecchi secoli …

Finora abbiamo visto: (1) come usare i qubit per trasferire i dati (Quantum Communications) in maniera assolutamente sicura ed immune da attacchi e (2) per elaborarli (Quantum Computer) e fare calcoli in tempi velocissimi. Le tecnologie Quantistiche si possono usare, però, anche per un terzo scopo: manipolando gli stessi oggetti microscopici sfruttarli come sonde per estrarre dati dall’ambiente che ci circonda (Quantum Sensing).

Questo è il caso ad es. di sensori che raccogliendo e contando singole particelle di luce (fotoni) e misurandone il tempo di arrivo con la precisione dei milionesimi di milionesimi di secondo, possono raccogliere la luce che arriva da una zona non accessibile o nascosta da uno o più ostacoli, rimettere insieme tutti quei fotoni che hanno rimbalzato anche 3 o 4 volte contro pareti e muri e ricostruire l’immagine 3D di tutti gli oggetti nascosti, senza che nessuno abbia mai potuto accedere a quegli spazi (c.d. sistemi seeing-behind-the-wall ).

Come si può immaginare questa tecnologia può aprire frontiere impensabili per garantire la sicurezza delle persone anche in zone urbane periferiche in cui le tecnologie di sorveglianza classica (videocamere standard) non sono facilmente realizzabili o sarebbero troppo visibili.

La sfide che abbiamo provato a tratteggiare in questa breve rassegna sono le sfide dei Laboratori di oggi, per poter creare le macchine che cambieranno la nostra vita quotidiana fra 10 o 20 anni.

Ed è anche la sfida che hanno raccolto i Leonardo Quantum Labs di Roma, che hanno deciso di investire ed operare (e in questo rappresentano un unicum nel panorama industriale italiano e con pochissimi analoghi a livello europeo e globale) su tutti e 3 i fronti (Quantum Communications, Quantum sensing, Quantum Computing) di cui abbiamo parlato qui sopra.

I dispositivi quantistici per Comunicazione Sicure, i sistemi di visione behind-the-wall, i sensori quantistici per la Navigazione o gli Orologi Atomici ad Atomi Freddi, sono tra i sistemi in molti casi già funzionanti, in sviluppo e ottimizzazione nei Leonardo Quantum Labs

E questa azione sinergica su tanti fronti è possibile per la varietà e molteplicità di domini di prodotto e servizi in cui opera Leonardo, dallo Spazio, alla Cyber, dalla Sicurezza Urbana, alle piattaforme Aeree, Navali e Terrestri, guidate ed autonome, varietà che consente di intercettare ed utilizzare a pieno ed in maniera trasversale le capacità del futuro che abbiamo raccontato in questa breve rassegna.

Credits Copertina: Envato.com