La fisica quantistica è una branca della fisica che studia il comportamento della materia e dell’energia a livello atomico e subatomico e nei casi di movimenti a velocità elevatissime, prossime alla velocità della luce pari nel vuoto a 300.000 Km/sec.
A differenza della fisica classica, che descrive il mondo macroscopico che ci circonda, la fisica quantistica introduce concetti come la quantizzazione dell’energia, il dualismo onda-particella e la probabilità statistica, che si manifestano a livello microscopico.
La fisica quantistica descrive il comportamento di atomi, elettroni, fotoni e altre particelle subatomiche, esplorando fenomeni come la quantizzazione dell’energia che caratterizza le emissioni di energia che, a livello macroscopico ci appaiono come continue, ma che in realtà non sono continue ma vengono prodotte con emissioni ad intervalli ovvero in pacchetti discreti di energia chiamati quanti di energia o semplicemente quanti.
La fisica quantistica ci ha spiegato la dualità onda-particella che consente alle particelle di comportarsi sia come onde che come elementi solidi come la luce che combina i fotoni alle onde luminose di lunghezza e frequenza specifica ma non solide.
La luce è quindi composta da flussi di radiazioni o onde luminose e contemporaneamente da microscopiche particelle solide i fotoni. Questo significa che la luce si comporta contemporaneamente in due modi come una radiazione ondulatoria e come un flusso di particelle solide e quindi possiede ogni caratteristica delle radiazioni ondulatorie e contemporaneamente dei solidi.
Il dualismo della luce, e di molte altre situazioni, è un concetto difficile da comprendere per chi è abituato ai concetti assoluti della fisica classica ma è proprio questo dualismo che consente alla luce di propagarsi nello spazio vuoto trasportata dai suoi fotoni: altrimenti se la luce fosse esclusivamente una radiazione ondulatoria non potrebbe attraversare lo spazio perchè le onde possono trasmettersdi esclusivamente attraverso un mezzo fisico e non possono quindi attraversare lo spazio.
La teoria ondulatoria
Nel XVII° secolo Christiaan Huygens propone per spiegare il paradosso costituito dalla luce che non potrebbe trasmettersi nello spazio vuoto ma lo fa, la teoria ondulatoria della luce cioè un modello fisico secondo cui la luce si comporta come un’onda, simile alle onde sonore o a quelle dell’acqua, ma con caratteristiche proprie: la luce viene considerata un’onda elettromagnetica, cioè un’oscillazione dei campi elettrici e magnetici, che si propaga nello spazio trasferendo energia e può interferire e diffrangere, proprio come fanno le onde in generale.
La teoria ondulatoria spiega alcune caratteristiche della luce come l’interferenza (due onde luminose possono sommarsi o annullarsi, la diffrazione (la luce devia la sua traiettoria passando attraverso aperture molto strette) e la Polarizzazione (la luce vibra in piani preferenziali) ma non riesce a spiegare invece come l’effetto fotoelettrico.
L’effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico in cui elettroni vengono espulsi da un materiale, di solito un metallo, quando viene colpito da luce di energia sufficientemente elevata che può strappare elettroni dal materiale e possono essere rilevati come corrente elettrica.
L’effetto fotoelettrico, valse il premio Nobel ad Albert Einstein nel 1921, è importante perchè dimostra che l’energia della luce non dipende dall’intensità ma dalla frequenza cioè dal colore della luce.
Se la frequenza è troppo bassa, colore rosso e infrarosso, non avviene alcuna emissione, anche con luce molto intensa, mentre quando la frequenza supera una soglia minima detta frequenza di soglia, vengono espulsi elettroni.
L’effetto fotoelettrico non poteva essere spiegato dalla teoria ondulatoria classica e nel 1905 Albert Einstein propose che la luce fosse composta non da un flusso continuo ma da pacchetti di energia che chiama fotoni.
Einstein dimosttra che ogni fotone possiede una energia:
E=hν
direttamente proporzionale ad h, costante di Planck, e alla frequenza della luce ν
Questa spiegazione da origine alla meccanica quantistica e l’effetto fotoelettrico è alla base tra l’altro dei pannelli fotovoltaici, dei sensori di luce, delle fotocamere digitali, dei dispositivi automatici a barrierea fotonica.
La teoria quantistica ha dimostrato l’inesattezza della teoria ondulatoria stabilendo la doppia natura ondulatoria e particellare della luce.
I campi coerenti
La fisica quantistica ha introdotto il concetto dei campi coerenti che identifica domini i cui elementi sono interconnessi.
Le onde appartenenti ad un medesimo campo coerente possiedono e mantengono una differenza di fase costante nel tempo, permettendo fenomeni come l’interferenza, sono correlate e il loro comportamento è prevedibile, a differenza dei campi non coerenti, dove la fase e altre caratteristiche variano in modo casuale quindi imprevedibile.
Questi campi speciali possiedono coerenza temporale che si riferisce alla prevedibilità della fase di un’onda in un dato punto dello spazio nel tempo.
Una sorgente luminosa ad alta coerenza temporale emette onde con una fase stabile per un certo intervallo di tempo, facilitando l’osservazione di fenomeni come l’interferenza.
Gli elementi di uno stesso campo coerente possiedono anche coerenza spaziale con una correlazione, ad esempio, di fase tra onde che si propagano anche in regioni dello spazio diverse e anche distanti.
Due onde sono spazialmente coerenti se la differenza di fase tra di loro rimane costante nel tempo e interferiscono fra loro indipendentemente dalla distanza che separa gli elementi.
Nella meccanica quantistica, la coerenza si riferisce alla correlazione statistica perché in questo ambito non è possibile neppure conoscere la posizione di un elemento se non in forma probabilistica in ossequio al principio di indeterminatezza.
Il principio di indeterminatezza enunciato da Heisenberg è uno dei concetti fondamentali della meccanica quantistica.
Stabilisce che non è possibile conoscere simultaneamente con precisione illimitata alcune coppie di grandezze fisiche.
Quindi, ad esempio, non è possibile conoscere la posizione e la quantità di moto di una particella nel medesimo istante quindi se si misura con grande precisione la posizione, si perde precisione nella conoscenza della quantità di moto, e viceversa.
Questo non è un limite degli strumenti utilizzati nelle misure ma è una caratteristica fondamentale della natura a livello quantistico.
Nella meccanica quantistica, le particelle hanno comportamento ondulatorio e un’onda localizzata in un punto preciso dello spazio contiene componenti di impulso diverse che determinano → grande incertezza sulla sua posizione definibile solo in termini statistici, mentre al contrario un’onda formata da un solo impulso si estende molto nello spazio creando grande incertezza sulla sua posizione che non può essere stabilita con precisione.
Il principio di indeterminatezza si adatta anche ad energia e tempo, oppure all’angolo e alla componente angolare del momento: anche queste coppie di grandezze non possono essere determinate simultaneamente con precisione e da questo deriva che non esistono traiettorie esattamente definite come nella fisica classica; lo stato di una particella è descritto da probabilità statistica e non da valori esatti.
L’energia della luce può quindi essere coerente o incoerente: il laser costituito da una sorgente di luce altamente coerente, sia temporalmente che spazialmente, possdiede un fascio luminoso concentrato che rimane sempre molto stretto anche a distanze ernormi mentre la luce emessa da una lampadina produce luce incoerente che si diffonde in ogni direzione.
La luce emessa da una comune lampada può solo illuminare mentre l’energia emessa dal laser può essere concentrata sino a tagliare il metallo.
Differenze dalla fisica classica
A differenza della fisica classica che utilizza equazioni deterministiche, ciioè esatte, per descrivere il comportamento della realtà, la fisica quantistica introduce il concetto di probabilità, poiché lo stato delle particelle subatomiche può essere descritto solo in termini di probabilità proprio per il principio di indeterminazione di Heisenberg.
La fisica quantistica ha decisive applicazioni in vari campi, tra cui la tecnologia informatica con i computer quantistici addirittura non paragonabili a quelli tradizionali per la loro smisurata capacità e velocità di calcolo, la fisica delle particelle, la chimica, la fisica della materia condensata a stati solidi, liquidi, gassosi e plasmatici, la medicina con la risonanza magnetica e i sistemi strumentali ECC.
La fisica quantistica in sintesi
La meccanica quantistica prende spunto dalle teorie di Max Planck agli inizi del 1900, stabilisce nuovi modi di valutare la realtà con l’energia che non può essere assorbita o emessa in un flusso continuo di qualsiasi quantità, ma unicamente in pacchetti discreti chiamati quanti quindi l’energia viene definita quantizzata.
Un altro concetto fondamentale riguarda le particelle che sono duali cioè possono manifestarsi e agire come onde elettromagnetiche e contemporaneamente come corpi solidi.
Per secoli alcuni fenomeni sono rimasti inspiegabili sino all’introduzione del concetto di dualismo onda-particella che descrive la natura della materia e della radiazione.
Le particelle si manifestano sia come onda che come solidi.
Ad esempio la luce si comporta come un onda elettromagnetica dotata di frequenza e lunghezza specifica ma anche come solido con le sue particelle solide infinitesimali i fotoni.
Il dualismo implica che sia la luce che le particelle, come gli elettroni, possono comportarsi come onde o come solidi in relazione alle circostanze.
Tutti ogni giorno verifichiamo che la luce del Sole arriva sino alla Terra ma se fosse esclusivamente un onda avrebbe bisogno di un mezzo attraverso cui propagarsi e questo è impossibile nel vuoto dello spazio ma è reso possibile dai fotoni cioè la componente solida della luce che non ha bisogno di un mezzo come le onde ma è in grado di diffondersi anche nel vuoto dello spazio.
Il dualismo onda-particella ha risolto il mistero della luce che tutti conoscevano come un onda quindi senza la possibilità di superare il vuoto dello spazio come invece tutti quotidianamente verificavano.
I fenomeni ondulatori rimangono molto importanti e le onde sono classificabili in meccaniche ed elettromagnetiche con una distinzione fra loro decisiva in quanto le onde meccaniche non sono duali come quelle elettromagnetiche.
Le onde meccaniche sono generate dalle vibrazioni, come il suono, e non essendo duali richiedono un mezzo come aria, acqua, solidi, liquidi, ecc. per propagarsi: se non è presente un mezzo si arrestano e non possono diffondersi.
Il vuoto non consente ai suoni di propagarsi quindi possiamo percepire i suoni sulla Terra che è dotata i atmosfera ma non sulla Luna che ne è priva.
Le onde elettromagnetiche invece, come quelle luminose, possono propagarsi anche nel vuoto perché caratterizzate dal dualismo onda-particella quindi non necessitano di alcun mezzo materiale per propagarsi e possono viaggiare attraverso il vuoto, come la luce solare che arriva sulla Terra ogni giorno attraversando il vuoto dello spazio profondo.
La luce, è stata subito individuata come un fenomeno ondulatorio che mostra proprietà riservate alle onde come la diffrazione e l’interferenza, ma grazie alla sua natura duale può anche agire come una particella, che chiamiamo fotone ed è anche il protagonista dell’effetto fotoelettrico.
Anche i solidi possono rivelarsi duali perchè costituiti da elettroni che mostrano proprietà ondulatorie, come la diffrazione.
Il dualismo onda-particella è fondamentale nella meccanica quantistica, dove descrive il comportamento dei sistemi a livello atomico e subatomico.
Il principio di complementarità, introdotto inizialmente per spiegare il dualismo, è stato superato nell’ambito quantistico, riconoscendo che le nozioni di onda e particella sono inadatte per descrivere questi sistemi, ma sono comunque utili per comprendere questi fenomeni.
In sintesi, il dualismo onda-particella sottolinea che le particelle non sono né solo onde né solo solidi, ma piuttosto possono manifestare le caratteristiche di entrambe le nature a seconda delle circostanze dell’osservazione.
Questo introduce il ruolo fondamentale dell’osservatore che è correlato e interconnesso con l’evento osservato.
Abbiamo già visto che il principio di indeterminazione di Heisemberg stabilisce che è impossibile conoscere contemporaneamente caratteristiche diverse: come la posizione e la velocità di una particella nello stesso istante.
Il principio afferma che non è possibile conoscere con precisione assoluta la posizione e la quantità di moto o la velocità o la direzione di una particella nel medesimo istante e più si approfondisce la precisione su uno dei parametri, ad esempio la posizione, meno si conosce con precisione l’altro ad esempio la quantità di moto, e viceversa.
Tutto questo non deriva da un errore ne da un limite intrinseco degli strumenti di misura, ma è una proprietà fondamentale di base della meccanica quantistica.
Secondo Heisemberg il prodotto dell’incertezza sulla posizione (Δx) per l’incertezza sulla quantità di moto (Δp) è sempre maggiore o uguale a una quantità legata alla costante di Planck (h), ovvero
Δx Δp ≥ ħ
La costante di Planck è una costante fisica fondamentale che compare spesso nella meccanica quantistica e viene indicata con il simbolo h.
Approfondimento: la costante di Planck lega l’energia di un fotone alla sua frequenza e il suo valore numerico è sempre lo stesso e vale circa 6.626 x 10⁻³⁴ Joule al secondo (J·s).
La costante che prende il suo nome fu introdotta da Max Planck all’inizio del XX° secolo per risolvere il problema della radiazione del corpo nero.
Planck ipotizzò che l’energia non fosse emessa o assorbita in modo continuo, ma piuttosto in quantità discrete, chiamate quanti di energia, proporzionali alla frequenza della radiazione.
Questa idea ha determinato la nascita della meccanica quantistica che viene attribuita a Max Planck e la sua costante correla l’energia (E) di un fotone alla sua frequenza (ν) attraverso la formula:
E = hν
La costante di Planck è essenziale per la quantizzazione dell’energia, che stabilisce che l’energia può esistere solo in pacchetti discreti che sono chiamati quanti e mai in modo continuo.
Nella meccanica quantistica, la costante di Planck e la sua versione ridotta sostanzialmente uguale ma divisa per il doppio del Pi greco compare anche nelle equazioni che descrivono il momento angolare.
La costante di Planck, dimensionalmente, è un’energia per un intervallo di tempo normalmente espressa in Joule per secondo (J·sec) e il suo valore, espresso in unità del Sistema Internazionale, è:
h ≈ 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s.
La costante di Planck è una delle costanti fondamentali della fisica quantistica perché possiede un ruolo primario nella comprensione dei fenomeni a livello atomico e subatomico.
Noi siamo abituati a grandezze che variano in modo continuo come ad esempio i numeri decimali che costituiscono un insieme continuo infinito ma la fisica quantistica descrive tutto attraverso valori discreti i quanti che possono assumere solo valori precisi.
Seguendo l’esempio dei numeri sarebbe come se potessimo utilizzare solo numeri interi senza decimali o frazioni
ΔxΔp ≥ ħ con h=h/2π
Il principio di indeterminatezza stabilisce anche che non ha senso stabilire la posizione esatta di un elettrone in un dato istante, perché l’atto stesso di misurare la sua posizione influisce sul suo moto perchè l’osservatore influisce sull’evento osservato che diventano tra loro correlati
Il principio di indeterminazione regola il comportamento delle particelle a livello subatomico e quando si misura con precisione la posizione di un elettrone, si perdono altre informazioni sulla sua velocità e viceversa.
Applicazioni:
Il principio di indeterminazione ha generato implicazioni importanti sia nella fisica atomica che sulle teoria dei campi coerenti quantistici.
Esiste anche una versione più complessa del principio di indeterminatezza secondo il quale non è possibile trovare due intervalli di valori in cui entrambe le variabili (posizione e quantità di moto) ricadano contemporaneamente.
In questa versione i valori discreti attesi per le variabili esaminate sono sostituiti da intervalli di valori statistici prediletti dalla meccanica quantistica.
Il principio di indeterminazione è un concetto fondamentale della meccanica quantistica che sottolinea come sia possibile conoscere, misurare, calcolare un solo parametro e mai più di uno contemporaneamente.
Una volta di più troviamo che le caratteristiche degli elementi sono sempre probabilistiche e la loro indeterminatezza stabilisce che meglio conosciamo una certa caratteristica meno possiamo conoscere le altre.
L’entanglement è un fenomeno che correla le particelle di un medesimo campo coerente in modo che lo stato di una particella influenzi immediatamente lo stato delle altre indipendentemente dalla loro posizione e distanza reciproca che può essere, teoricamente, anche infinita.
Ad oggi gli scienziati cinesi hanno sperimentato, utilizzando un loro satellite artificiale, questa correlazione a 240.000 Km di distanza ma tutto lascia prevedere che non ci siano limiti legati alla distanza.
La fisica quantistica ha rivoluzionato la nostra comprensione della realtà a livello microscopico, introducendo concetti che sono molto diversi da quelli della fisica classica.
L’azione e la reazione sono contemporanei e avvengono nel medesimo istante e non sequenzialmente come nella fisica di Galileo e Newton, ci sono particelle in grado di attraversare pareti solide che fanno funzionare i microscopi elettronici e il ruolo dell’osservatore è completamente differente in quanto l’osservatore diviene parte del sistema osservato e può influenzarlo.
Nella fisica classica quando osserviamo il movimento di un treno da lontano non possiamo interagire con esso mentre nella fisica quantistica l’osservatore è parte del sistema e interagisce con esso quindi osservando il treno l’osservatore può addirittura influenzarne il movimento.
Questo, naturalmente, è fortemente contro intuitivo e non facile da accettare per noi abituati da sempre ad considerare i principi della fisica di Galileo e Newton che sono indipendenti e deterministici.
I principi della meccanica quantistica si riferiscono a particelle infinitesimali sub atomiche oppure a fenomeni che si svolgono a velocità prossime a quella della luce, che nel vuoto è 300.000 Km/secondo, ma quando gli eventi si riferiscono a campi coerenti le cose cambiano radicalmente anche per i macrosistemi.
Elementi appartenenti ad un medesimo campo coerente possono influenzarsi, interagire e adeguare le loro caratteristiche specifiche gli uni agli altri immediatamente indipendentemente dalla distanza fisica esistente tra loro con una comunicazione / trasmissione che avviene a velocità superiori a quella della luce che non può più essere considerata un limite invalicabile.
La parte più complessa dell’addestramento degli operatori ECC, che sono di fatto osservatori, consiste nell’imparare ad evitare di influenzare le analisi il cui risultato, vedremo, non può essere modificato dall’operatore che può però influenzare la velocità delle procedure di analisi.
In pratica le analisi quantistiche ECC sono valide in modo assoluto ma l’osservatore-operatore possiede la capacità di influenzarle essenzialmente ritardandole.
L’operatore può modificare anche sensibilmente i tempi di risposta delle analisi ma non può modificarne l’esito.
L’operatore deve però tener conto, come vedremo in seguito in modo dettagliato, dei tempi di risposta che potrebbero, in determinate situazioni, divenire così lunghi da fargli assumere, ad esempio, come negativa una risposta che in realtà invece è positiva influenzando quindi l’analisi condotta.
L’Operatore è quindi un osservatore che può influenzare le analisi strumentali ECC condotte non in valore assoluto ma attraverso la rapidità della misura.
Un Operatore abituato a verificare una risposta ECC nel volgere di 10 o 20 secondi se influenza la rapidità della misura con la sua osservazione e non riceve riscontro dopo 30 o 40 secondi potrebbe ritenere negativa la risposta quando invece è positiva.
I Sistemi ECC sono realizzati per evitare che l’Operatore influenzi la rapidità delle analisi in modo molto semplice: esistono frequenti meccanismi di controllo duali basati su responsi opposti uno dei quali deve essere certamente verificato.
Ad esempio il Sistema ECC che verifica l’esistenza nell’organismo di una infezione è duale:
Infezione presente
Infezione assente
Questo significa che uno dei due programmi deve faornire un riscvontro positivo e l’altro contemporaneamente deve fornirlo negativo.
Se nessuno dei due programmi quantici fornisce un riscontro positivo oppure entrambi rispondono nel medesimo modo significa che l’Operatore sta influenzando il test che deve essere eseguito con maggiore attenzione.
L’esperimento del gatto
Quello del gatto di Schrödinger è, un famoso esperimento mentale ideato dal fisico Erwin Schrödinger nel 1935 come paradosso pensato per mostrare quanto la meccanica quantistica sia controintuitiva se applicata agli oggetti della vita reale.
L’esperimento, esclusivamente immaginario, si riferisce ad una scatola chiusa contenente: un gatto, un atomo radioattivo che ha il 50% di probabilità di decadere in un’ora, un rilevatore che, se l’atomo decade, rompe una fiala di veleno e la fiala di veleno che può uccidere il gatto.
Il gatto di Schrödinger dimostra che: nel mondo quantistico microscopico, le particelle possono esistere in stati sovrapposti mentre nel mondo macroscopico, l’osservazione sembra forzare il sistema in uno degli stati possibili con il collasso della funzione d’onda in una direzione.
Quindi il gatto di Schrödinger è un paradosso perché in relazione a chi guarda dentro la scatola il gatto è vivo o morto e questo a livello macroscopico non può essere naturalmente possibile.
Quindi il gatto di Schrödinger serve a dimostrare che nel mondo macroscopico la fisica dei quanti non sarebbe applicabile: ma in realtà non è così come dimostrato dai campi coerenti e dai Sistemmi ECC che eseguono analisi strumentali macroscopiche con sistemi quantistici su elementi macroscopici.
L’unica certezza della fisica quantistica è l’assoluta mancanza di certezze assolute: con la fisica di Galileo e le equazioni del moto di Newton possiamo stabilire la traiettoria di un missile e prevedere la sua posizione nel tempo ma la fisica quantistica ci può invece fornire solo probabilità statistiche e non posizioni assolute e precise.
Per ora le maggiori applicazioni della quantistica si rivolgono all’infinitamente piccolo e ai fenomeni che riguardano velocità di spostamento elevatissime paragonabili a quelle della luce ma i campi coerenti e le loro applicazioni, compresi i Sistemi ECC di analisi, si rivolgono al mondo macroscopico rendendo sempre più contro intuitiva la fisica quantistica e le sue applicazioni.
Il collasso della funzione d’onda
è un concetto fondamentale della meccanica quantistica che descrive cosa succede quando osserviamo o misuriamo un sistema quantistico.
Prima della misura una particella, come ad esempio un elettrone, può trovarsi in una sovrapposizione di più stati contemporaneamente.
La sua funzione d’onda è una specie di mappa di probabilità di tutti gli stati possibili.
Ad esempio, prima della misura, un elettrone può possedere contemporaneamente uno spin a sinistra e a destra in proporzioni diverse.
Poi quando viene eseguita una misura, la funzione d’onda collassa improvvisamente in uno solo degli stati possibili.
Quindi prima della misura abbiamo probabilità diverse per ogni stato possibile mentre dopo la misura rimane un solo risultato concreto che, ad esempio, misura dove si trova l’elettrone perché la sua funzione d’onda collassa e l’elettrone appare in un punto preciso.
Il collasso della funzione d’onda non è descritto dall’equazione della meccanica quantistica che è nota come equazione di Schrödinger e prevede un’evoluzione continua e deterministica, mentre il collasso è un processo: discontinuo, istantaneo e non deterministico perché è basato sulla probabilità.
Il significato del collasso della funzione d’onda non è univoco ma dipende dall’interpretazione della meccanica quantistica:
- Secondo l’interpretazione di Copenaghen la misura causa il collasso della funzione d’onda e la sovrapposizione degli stati si blocca solo al momento dell’osservazione.
- Secondo l’interpretazione dei molti universi non esiste nessun collasso ma l’universo inizialmente unico si ramifica e ogni possibile risultato avviene in un mondo separato.
- Secondo la decoerenza quantistica il collasso è solo apparente ed è l’interazione con l’ambiente che distrugge la sovrapposizione rendendo osservabile un unico stato.
In conclusione la fisica quantistica è un mondo di interpretazioni diverse e spesso non ne esiste una che emerge rispetto alle altre in modo assoluto ù.
Nel caso del collasso della funzione d’onda l’idea essenziale è che osservare un sistema quantistico cambia lo stato del sistema stesso, facendo emergere un risultato specifico tra tutti quelli possibili che prima dell’osservazione sono tutti sovrapposti e possibili anche se a volte con diversi gradi di probabilità.
I computer quantistici
I computer quantici sono dispositivi che sfruttano le leggi della meccanica quantistica per eseguire calcoli in modo diverso e in alcuni casi enormemente più potente rispetto ai computer tradizionali.
Il principio chiave è che usano qubit invece dei bit classici.
L’unità base dei computer è il Bit cioè un valore che può essere solo 0 oppure 1 come una lampadina che può essere spenta o accesa ma il Qubit, cioè il bit quantistico, può assumere il valore 0, il valore 1 e una sovrapposizione di stati 0 e 1 contemporaneamente
Questa proprietà permette a un insieme di qubit di rappresentare innumerevoli combinazioni di stati nel medesimo tempo creando il presupposto per ottenere un’enorme capacità di calcolo parallelo.
Oltre alla sovrapposizione di innumerevoli stati contemporanei l’entanglement può correlare du qubit in modo tale che lo stato di uno influisca istantaneamente sull’altro, anche se distanti e in questo modo potenziare in modo eccezionale la velocità e la dimensione degli algoritmi quantistici.
Infine la meccanica quantistica permette di amplificare le soluzioni corrette e cancellare quelle sbagliate rendendo molto più potenti gli algoritmi quantici rispetto a quelli tradizionali.
Attualmente i chip quantici per computer non sono ancora in grado di risolvere ogni problema ma alcune classi di algoritmi diventano molto più efficienti, come: la fattorizzazione di numeri molto grandi con l’algoritmo di Shor che è in grado di rompere i sistemi crittografici e risolverli; l’ottimizzazione dei sistemi complessi; la simulazione del comportamento di molecole e materiali in chimica, farmacologia, fisica, ingegneri, ecc.; la realizzazione di sistemmi di apprendimento e insegnamento quantistico, i problemi combinatori massivi e altro ancora.
I computer quantici oggi sono: sperimentali, affetti da errori di rumore e decorrenza; limitati nel numero di qubit realmente utilizzabili ed necessario svilupparli ma questo viene attualmente fatto secondo principi e filosofie progettuali molto diverse tra loro fra le quali abbiamo:
- Qubit superconduttivi (sviluppati da IBM, Google)
- Ioni intrappolati (IonQ, Honeywell)
- Qubit fotonici (Xanadu)
- Qubit topologici (Microsoft, ancora molto teorici)
- Defetti nel diamante (NV centers)
In conclusione i computer quantici non sostituiranno molto presto i computer tradizionali, ma diventeranno strumenti specializzati per risolvere algoritmi e problemi estremamente complessi.
Programmi tradizionali e quantici
I sistemi ECC online non sono strumenti software ordinari ma programmi quantistici che quindi non possono essere valutati ed utilizzati come software ordinario anche se il loro aspetto appare molto simile a programmi software di tipo usuale non seguono le leggi della fisica classica di Galileo e Newton ma quelle della fisica quantistica.
Normalmente i principi quantistici si applicano ad elementi infinitesimali, atomici e sub-atomici, oppure ad elementi che si muovono a velocità elevatissime molto vicine a quelle della luce di 300.000 Km/secondo, ma i campi coerenti quantistici consentono di estendere i principi della fisica dei quanti anche ai macrosistemi biologici quando fanno parte di domini coerenti quindi a organismi umani, animali e persino vegetali.
Anche le piante rispondono ad elementi correlati con flussi quantici e uno dei laboratori quantistici Unisanpaolo si sta occupando di realizzare sistemi ECC dedicati alle piante.
Questa caratteristica specifica dei campi coerenti è ampiamente sfruttata dai sistemi ECC che sono in grado di applicare i principi, i teoremi e le proprietà della fisica quantistica anche ai macrosistemi purché appartenenti a campi coerenti.
I sistemi ECC online si presentano come elenchi di programmi che possono essere selezionati e quindi richiamati, attivati ed utilizzati semplicemente con il mouse del computer oppure con lo strumento di selezione del tablet o dello smartphone senza neppure eseguire gli usuali click o tocchi del dito quando utilizzato come puntatore.
La selezione diretta senza click che viene attivata solo dalla posizione del puntatore dimostra già come i programmi quantici siano diversi da quelli del software ordinario che possono reagire solo ai click del puntatore.
Le differenze con i programmi software ordinari sono molto più ampie rispetto a quelli della fisica classica.
Un sistema ECC completo occupa nel suo dominio, apparentemente, pochissimo spazio generalmente poco oltre i 200 Mb cioè pochissimo spazio se pensiamo che contiene in media oltre centomila programmi del peso stimato di almeno 900 Gb solo per i più piccoli.
Se fossero dati ordinari l’occupazione di spazio potrebbe essere almeno di 900.000.000 novecento milioni di Gb e probabilmente ogni singolo sistema ECC occuperebbe migliaia di trilioni di dati.
Solo per accedervi servirebbero mesi e i costi di archiviazione stratosferici perché tutti i server della più grande farm house non sarebbero sufficienti neppure a sostenere un piccolo sistema ECC.
La buona notizia è che parliamo di dati quantici quindi i dati quantici occupano solo spazi non valutabili da server e gestori se non attraverso l’impronta del nome di riferimento.
È come se l’intera enciclopedia Treccani e le sue 430.000 offerte in media da ciascuno dei suoi 58 volumi per un totale di circa 25 milioni di parole fossero racchiuse tutte nel suo nome: Treccani.
Ma rispetto ad una matrice ECC l’intera enciclopedia Treccani è poca cosa in quanto stimiamo che le informazioni in una sola matrice ECC di dimensioni medie siano equivalenti a vari trilioni di trilioni di trilioni di informazioni.
Ogni matrice ECC è un archivio sterminato assolutamente inimmaginabile per la nostra mente umana ma questo archivio occupa lo spazio di una singola parola e una singola macchina ECC contiene centinaia di migliaia di matrici.
Queste inimmaginabili dimensioni sono naturalmente non intercettabìli, non comprensibili e non decifrabili quindi oltre a non occupare spazio non hanno bisogno di essere protette o cifrate e non occupano traffico dati.
Come abbiamo cominciato a comprendere tutto è diverso nella fisica quantistica.
I ricercatori del nostro gruppo più avanzato stanno cercando di applicare la sovrapposizione contemporanea degli stati alle analisi ECC in modo da rendere possibile milioni di analisi contemporanee, ma purtroppo la strada è ancora lunga e difficile.
Alcune difficoltà sono state brillantemente superate ad esempio la sovrapposizione contemporanea quantistica di causa ed effetto è stata spezzata per consentire di trovare le cause delle patologie individuate.
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