La fisica quantistica descrive il comportamento della materia e della radiazione su scala atomica e subatomica. A questa scala, le leggi della meccanica classica non si applicano più: le particelle obbediscono a regole controintuitive, formalizzate all’inizio del ventesimo secolo da Planck, Einstein, Heisenberg, Schrödinger e Dirac. Queste basi rimangono il fondamento della ricerca contemporanea, incluso nel campo dell’informatica quantistica.
Perché la meccanica classica fallisce su scala atomica
La meccanica newtoniana predice con precisione la traiettoria di una palla o l’orbita di un pianeta. Applicando le stesse equazioni a un elettrone, le previsioni crollano.
Il problema fondamentale risiede nella stessa natura dell’osservazione. Alla nostra scala, misurare un oggetto non lo modifica in modo significativo. Su scala nanometrica (la dimensione di un atomo), ogni misura disturba il sistema osservato. L’energia del fotone utilizzato per “vedere” un elettrone è sufficiente a cambiare la sua traiettoria.
È questa constatazione sperimentale che ha spinto i fisici ad abbandonare il quadro classico e a costruire un formalismo matematico completamente nuovo. Per sapere tutto sulla fisica quantistica, è necessario prima accettare che questa teoria non descrive cosa “fa” una particella, ma ciò che si può prevedere dai risultati di misura su questa particella.
Questa distinzione non è filosofica: ha conseguenze pratiche dirette sul modo in cui si concepiscono gli esperimenti e le tecnologie quantistiche attuali.
Superposizione e principio di incertezza: due pilastri della fisica quantistica
Due concetti strutturano l’intera teoria. Comprenderli è sufficiente per afferrare la logica della maggior parte dei fenomeni quantistici.
La superposizione quantistica
Una particella può esistere in più stati simultaneamente finché non viene effettuata alcuna misura. Non è una metafora: il formalismo matematico (la funzione d’onda di Schrödinger) descrive letteralmente una combinazione di più stati possibili.
Quando si misura, la particella “sceglie” uno stato tra quelli possibili. Questo passaggio dalla superposizione a uno stato unico è ciò che i fisici chiamano la riduzione del pacchetto d’onda. I dati disponibili non consentono di concludere definitivamente sul meccanismo esatto di questa riduzione, che rimane uno dei dibattiti aperti della fisica fondamentale.
Il principio di incertezza di Heisenberg
È impossibile conoscere simultaneamente, con una precisione arbitraria, la posizione e la velocità di una particella. Più si precisa la posizione, più la velocità diventa indeterminata, e viceversa.
Questo limite non è un difetto dei nostri strumenti. È inscritto nella struttura matematica della teoria. Il principio di incertezza fissa un limite fondamentale a ciò che si può sapere su un sistema quantistico, qualunque sia la tecnologia utilizzata per osservarlo.
Dualità onda-particella e intreccio quantistico
Onda e particella allo stesso tempo
La luce si comporta ora come un’onda (interferenze, diffrazione), ora come un flusso di particelle (l’effetto fotoelettrico, spiegato da Einstein). Anche gli elettroni mostrano lo stesso comportamento duale.
La dualità onda-particella riguarda tutta la materia, non solo la luce. Sono stati condotti esperimenti di interferenza con molecole sempre più pesanti, confermando che questa proprietà non è riservata agli oggetti subatomici, anche se diventa impercettibile su larga scala.
L’intreccio quantistico
Due particelle intrecciate condividono uno stato quantico comune. Misurare una fissa istantaneamente lo stato dell’altra, qualunque sia la distanza che le separa. Einstein qualificava questo fenomeno come “azione spettrale a distanza”.
Gli esperimenti condotti dagli anni ’80 (in particolare i lavori di Alain Aspect, premio Nobel per la fisica 2022) hanno confermato che questa correlazione è reale e non può essere spiegata da “variabili nascoste” classiche. L’intreccio è oggi utilizzato come risorsa nei protocolli di comunicazione quantistica e in alcune architetture di computer quantistici.
Effetto tunnel e decoerenza: i limiti del mondo quantistico
L’effetto tunnel
Una particella può attraversare una barriera di energia che non dovrebbe superare secondo le leggi classiche. Questo fenomeno è una conseguenza diretta della natura ondulatoria della materia: la funzione d’onda non scende bruscamente a zero al livello della barriera, ma decresce progressivamente. Se la barriera è sufficientemente sottile, una frazione misurabile di particelle la attraversa.
L’effetto tunnel non è una curiosità di laboratorio. Interviene nel funzionamento dei componenti elettronici, in alcune reazioni chimiche e nei processi nucleari al centro delle stelle.
La decoerenza quantistica
Le proprietà quantistiche (superposizione, intreccio) sono estremamente fragili. Non appena un sistema quantistico interagisce con il suo ambiente, perde progressivamente il suo comportamento quantistico per comportarsi in modo classico. Questa è la decoerenza.
La decoerenza spiega perché non osserviamo superposizione alla nostra scala. Un gatto non può essere sia morto che vivo, perché i miliardi di miliardi di particelle che lo compongono interagiscono costantemente con l’aria, la luce e la temperatura ambiente.
Questo fenomeno rappresenta anche il principale ostacolo tecnico nell’informatica quantistica. Le ricerche recenti si concentrano sulla correzione degli errori quantistici: qubit logici, protetti da più qubit fisici, consentono di ridurre il tasso di errore legato alla decoerenza. Google ha annunciato, con il suo processore Willow nel dicembre 2024, progressi significativi nel funzionamento “sotto soglia”, dove l’aggiunta di qubit riduce effettivamente gli errori anziché amplificarli.
- Le architetture superconduttrici rimangono le più pubblicizzate, ma anche gli atomi neutri e gli ioni intrappolati vengono esplorati come supporti per qubit.
- I codici correttori di errori di nuova generazione (tipo qLDPC) cercano di ridurre il numero di qubit fisici necessari per proteggere un qubit logico.
- I calendari industriali pubblicati dai grandi attori (IBM, Quantinuum, IonQ) rimangono fogli di rotta, non capacità disponibili oggi.
La fisica quantistica fornisce un quadro teorico verificato da oltre un secolo di esperimenti, ma diverse questioni fondamentali rimangono aperte: la natura esatta della misura, l’interpretazione della funzione d’onda, il confine tra mondo quantistico e mondo classico. La correzione degli errori è diventata il principale indicatore di maturità nell’informatica quantistica, davanti al semplice numero di qubit. Le basi teoriche qui descritte, dalla superposizione alla decoerenza, sono precisamente quelle su cui si basano questi progressi tecnologici.
