Il Nobel per la Fisica del 2022 è stato assegnato ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, tre fisici sperimentali che sono riusciti a dimostrare l’esistenza dell’entanglement. Questo fenomeno (in italiano “intreccio” o “annodamento”) è uno dei tratti più distintivi, e al tempo stesso più inafferrabili, della meccanica quantistica, la teoria che descrive il comportamento del mondo microscopico.
Si parla di entanglement quando un sistema quantistico composto da più parti mostra delle forti correlazioni fra i suoi componenti, anche se questi si trovano a distanze grandissime tanto da non poter interagire tra loro.
Quando due particelle sono entangled, ogni azione compiuta sull’una determina immediatamente lo stato dell’altra: se lanciassimo in aria due “monete quantistiche” entangled, in due località opposte del globo, queste cadrebbero a terra mostrando o sempre la stessa faccia, o sempre facce opposte, a seconda del tipo di entanglement che le unisce. Una sorta di “telepatia quantistica”, un intreccio di destini…
Ovviamente il tema è complesso e non può che apparire assurdo, se si prova a limitarne la spiegazione a poche righe. Ma è un argomento di importanza fondamentale per la Fisica, tanto che la questione stessa dell’esistenza dell’entanglement si è rivelata uno dei più importanti dibattiti scientifici del ventesimo secolo.
Le conseguenze dell’entanglement sfidano il senso comune a un livello tale da avere ingannato persino Albert Einstein, che lo liquidò come un’evidente assurdità della teoria quantistica. La sua esistenza è stata dimostrata proprio grazie agli esperimenti realizzati a partire dagli anni ’70 del secolo scorso dai tre fisici premiati con il Nobel, che hanno sviluppato delle metodologie ottiche innovative per studiare le correlazioni quantistiche tra particelle di luce, i cosiddetti fotoni.
Una prova schiacciante dell’esistenza dell’entanglement è arrivata nel 1982 grazie agli esperimenti del fisico francese Alain Aspect, che ha rapporti molto stretti con la ricerca fiorentina ed è stato per molti anni membro del Consiglio Direttivo del LENS, il Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare del campus di Sesto Fiorentino.
Un Nobel sicuramente meritato, arrivato con molti anni di ritardo, ma che fotografa un momento chiave nello sviluppo della Fisica. Nel pieno spirito del premio, assegnato a quegli scienziati che grazie alle loro scoperte hanno portato un “beneficio all’umanità”, il comitato Nobel ha riconosciuto come quell’entanglement, liquidato inizialmente come una bizzarria teorica, rappresenti oggi una potentissima risorsa per il progresso tecnologico del pianeta.
Stiamo vivendo infatti nel pieno di una nuova “rivoluzione quantistica”, dove le nuove possibilità di elaborare l’informazione messe a disposizione dalla fisica quantistica stanno permettendo la realizzazione di nuovi dispositivi per comunicare, misurare e calcolare, con efficienze esponenzialmente maggiori di quelle dei loro corrispettivi classici. È proprio l’entanglement che rende queste tecnologie quantistiche così potenti, ed il lavoro dei tre premi Nobel è servito proprio per dare avvio a questo campo di ricerca.
Da tempo Firenze gioca un ruolo da protagonista in questa sfida, con l’Università e gli enti di ricerca che gravitano sul territorio fiorentino. Al Dipartimento di Fisica e Astronomia e al LENS, anche con importanti finanziamenti da parte dell’European Research Council, lavoriamo intensamente sullo sviluppo di tecnologie quantistiche con sistemi di atomi intrappolati e manipolati per mezzo di luce laser. Insieme ai ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, li utilizziamo per progettare dispositivi che sfruttano l’entanglement per realizzare misure ultraprecise di forze, oppure per creare computer quantistici che utilizzano l’entanglement per simulare le proprietà di nuovi materiali e per realizzare calcoli ben oltre le possibilità dei computer classici.
Non solo atomi. La ricerca sulle tecnologie quantistiche è ampia e coinvolge anche sistemi diversi, da quelli molecolari e a stato solido, fino a quei fotoni utilizzati dai tre vincitori del premio Nobel proprio per dimostrare la realtà dell’entanglement. È questo l’ambito dell’ottica quantistica, nel quale la ricerca fiorentina nel campus di Sesto e sul colle di Arcetri ha una grande tradizione: dalla generazione controllata di sorgenti di singolo fotone, agli studi fondamentali sulle proprietà dei fotoni entangled, fino al loro utilizzo per la realizzazione di comunicazioni ultra-sicure e per la costruzione dei primi embrioni di un quantum internet in grado di interconnettere in maniera coerente dispositivi e sistemi quantistici distanti.
In questa sfida di scienza e tecnologia è fondamentale una profonda sinergia tra competenze diverse e tra ricerca sperimentale e teorica. Al Dipartimento di Fisica e Astronomia si lavora sullo sviluppo di algoritmi efficienti per sfruttare al meglio le potenzialità dei computer quantistici, attuali e futuri, ma anche allo sviluppo di tecniche di calcolo ibride classico-quantistiche con applicazioni nel campo dei big data e del quantum machine learning.
Una grande opportunità viene dai finanziamenti legati al PNRR. L’Ateneo fiorentino partecipa come soggetto costituente del partenariato università-enti-privati che, con il CNR e altri enti italiani, ha portato alla creazione dell’Istituto Nazionale per le Scienze e le Tecnologie Quantistiche.
I ricercatori fiorentini giocano anche un ruolo strategico nel Centro Nazionale di Ricerca in High-Performance Computing, Big Data e Quantum Computing, guidato da INFN, nell’ambito del quale verranno sviluppati nuovi prototipi di computer quantistici, e nell’Infrastruttura di Ricerca I-PHOQS coordinata dal CNR, che rafforza il LENS e la sua area “Quantum Science and Technology” (la più numericamente sviluppata del laboratorio fiorentino) come punto di riferimento nazionale per le scienze quantistiche, anche con applicazioni trasversali e multidisciplinari. In tutto quasi 100 docenti e ricercatori e una nutritissima comunità di postdoc, dottorandi e studenti.
È il momento giusto per investire nelle tecnologie quantistiche, e questo premio Nobel lo dimostra. Quei sogni tenuti per molti anni nel cassetto stanno adesso diventando delle splendide realtà e quella scienza tanto astratta sta diventando tecnologia. Su questo stiamo lavorando. Non è ancora nelle nostre case, ma potrebbe arrivarci molto prima di quanto pensiamo.
