LA SECONDA RIVOLUZIONE QUANTISTICA

di Anna Grassellino*

Proprio pochi giorni fa, il 4 Febbraio, alla sede dell’UNESCO a Parigi, si è svolta la cerimonia di inaugurazione del “International Year of Quantum Science and Technology”. Nel Giugno 2024, l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha dichiarato ufficialmente il 2025 l’anno internazionale della scienza e tecnologia quantistica, ai fini di celebrare 100 anni dai primi sviluppi della meccanica quantistica, di promuovere e diffondere l’importanza che le tecnologie quantistiche hanno e avranno nella scienza e nella società, e di incoraggiare una maggiore cooperazione internazionale in questo campo.

Nella newsletter della Fondazione Bellisario di Gennaio, Laura Luigia Martini ci ha parlato della meccanica quantistica e dei concetti a volte difficili da comprendere e accettare come la “sovrapposizione di stati quantistici” e “l’entaglement”, proprietà speciali che governano il funzionamento del mondo microscopico. Secondo la teoria quantistica, l’universo è fondamentalmente imprevedibile a livello microscopico, poiché opera su base probabilistica, il che significa che possiamo solo calcolare la probabilità di certi risultati anziché prevedere con certezza cosa accadrà in una data situazione; ciò è dovuto in gran parte al principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che conoscere una proprietà quantistica limita precisamente la nostra conoscenza di un’altra.

La prima rivoluzione quantistica si riferisce proprio alla scoperta delle regole della meccanica quantistica effettuate da figure chiave come Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg e Erwin Schroedinger, che portò ad invenzioni come il laser e il transistor. La “seconda rivoluzione quantistica” riguarda invece l’utilizzo attivo di tali regole per creare nuove tecnologie a un livello di controllo molto più profondo. La seconda rivoluzione quantistica si concentra sulla manipolazione attiva di singoli sistemi quantistici per sviluppare nuove tecnologie come il calcolo quantistico, la rilevazione quantistica e la comunicazione quantistica sicura, aprendo le porte a nuove applicazioni rispetto alle tecnologie fondamentali della prima rivoluzione.

Se ci soffermiamo sulle tecnologie di calcolo, cosa potrà fare un calcolatore quantistico? Il computer quantistico sarà fondamentalmente diverso da un computer classico, un po’ come paragonare la macchina all’aereo. Il computer quantistico non rimpiazzerà il computer classico nelle applicazioni di tutti i giorni, ma potrà consentire nuovi tipi di calcoli che non sono effettuabili su computer classici. Si stima che per certi tipi di calcoli il quantum computer porterà un vantaggio di velocità esponenziale. I primi processori quantistici a Google per esempio hanno portato a svolgere dei calcoli in pochi minuti che avrebbero invece richiesto milioni di anni anche sul più potente supercomputer al mondo!

Tra le potenziali applicazioni del computer quantistico, già in fase di intensa ricerca e sviluppo nel mondo, troviamo diverse aree, come lo sviluppo di farmaci: il calcolo quantistico potrebbe simulare il comportamento delle molecole e le interazioni tra farmaci. O il modeling dei mercati finanziari. Nel campo di AI e machine learning, il calcolo quantistico può aiutare i computer a fare previsioni e decisioni migliori analizzando grandi quantità di dati contemporaneamente. Nella simulazione, il calcolo quantistico può simulare sistemi complessi, come molecole, particelle e materiali. Sicuramente una delle applicazioni più note è nel campo della crittografia, grazie al famoso algoritmo di Shor sulla fattorizzazione di grandi numeri primi, con implicazioni su questioni di sicurezza nazionale. Proprio per questi motivi, c’è una grande corsa e sfida tra istituzioni e tra diversi Paesi su chi raggiungerà per primo l’obiettivo della costruzione di un calcolatore quantistico che riuscirà a risolvere alcuni di questi problemi.

All’oggi purtroppo i computer quantistici non producono ancora calcoli importanti, poiché la tecnologia richiede ancora diversi anni di ricerca e sviluppo per abbattere diversi ostacoli tecnologici, tra cui il ‘rumore’ e la ‘decoerenza’ dei qubits, i mattoncini chiave per la costruzione di queste macchine. In pratica questi qubits non riescono a mantenere e processare l’informazione abbastanza a lungo, generando errori troppo di frequente.  Portare un breakthrough nelle performance di questi qubits, riuscendo a preservare queste performance quando si portano questi sistemi su larga scala, è una delle sfide scientifiche e tecnologiche più importanti di questo secolo.

In questa cornice si inserisce il Centro Nazionale che io dirigo, il Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center, un centro finanziato dal Dipartimento dell’Energia Statunitense, con sede centrale al Fermilab, che porta insieme più di 35 istituzioni statunitensi e alcune internazionali, unendo il mondo dei laboratori federali, l’università e l’industria. Il nostro centro, come un mini-progetto Manhattan, si prefigge di unire massimi esperti da diversi campi e istituzioni, in un progetto multidisciplinare per accelerare drammaticamente l’avanzamento di tecnologie quantistiche e applicazioni. In particolare, il nostro centro si prefigge di abbattere l’ostacolo chiave della decoerenza e rumore dei sistemi quantistici. Questo richiede un team di ricerca che copra competenze uniche e a 360 gradi: dalla scienza dei materiali, ai dispositivi superconduttivi, all scienze computazionali, alla criogenia, alla fisica dello stato solido e tanto altro. Ogni istituzione, ogni ricercatore e membro del team SQMS è un pezzo chiave di un grande puzzle, portando competenze, laboratori e infrastrutture uniche e complementari.

Abbiamo formato il Centro SQMS nel 2020, e il progetto è cresciuto partendo da circa 100 ricercatori ad arrivare a più di 500 partecipanti, creando nuovi ponti e nuove collaborazioni, anche oltreoceano, che non esistevano prima. Per me sono stati anni entusiasmanti. Essere alla guida di questo progetto richiede grande impegno, ripagato innanzitutto dalla certezza che le scoperte che abbiamo effettuato in questi anni hanno già avuto un impatto profondo nel campo delle tecnologie quantistiche. Definire un progetto dall’inizio, la nostra identità, il nostro logo, costruire la nostra sede e i nostri laboratori, formare un team di massimi esperti, guidare le direzioni di ricerca, e allo stesso tempo dare l’opportunità a giovani ragazzi e ragazze di fare cutting edge research e avere impatto a livello globale…sono fiera e piena di gratitudine per avere l’opportunità di guidare tutto questo.

Una delle cose di cui vado molto fiera è stata la creazione del “SQMS Quantum Garage”. Abbiamo preso uno spazio che era un garage vuoto, lo abbiamo immaginato e trasformato in uno dei laboratori piu’ grandi a livello internazionale per la ricerca quantum, oggi riempito da decine di esperimenti e ricercatori al forefront delle tecnologie quantistiche.

E stiamo già guardando al futuro. Nei prossimi mesi scriveremo il proposal per i prossimi 5 anni di SQMS. Come ci evolveremo, che goal ambiziosi darci. Il futuro è aperto. E come dissi al mio discorso all’inaugurazione del quantum garage, davanti a una platea di scienziati e politici, il futuro dipenderà dalla nostra capacità di rimanere concentrati, dal nostro desiderio di sognare in grande e perseguire lo straordinario, ma soprattutto dalla nostra volontà di lavorare insieme, attraverso diversi confini. “E pluribus unum” – dal Moretum di Virgilio – “da molti, uno”, è anche il motto sul sigillo degli Stati Uniti. SQMS ha sede al Fermilab, il luogo che ha unito diversi paesi per costruire macchine straordinariamente complesse come il Tevatron, per esplorare il mondo al suo livello più fondamentale. SQMS e il suo quantum garage svilupperà le tecnologie chiave che un giorno ci porteranno, come comunità, a una straordinaria macchina quantistica su larga scala, che potrà cambiare il mondo.

* Senior Scientist, Director of Superconducting Quantum Materials and Systems Center, DOE National QIS Research Center, Fermi National Accelerator Laboratory, USA

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