Mese: febbraio 2020

Numero1857             (Approfondimenti al numero seguente).

Posted on by

MECCANICA  QUANTISTICA

Sessant’anni fa, quando io studiavo la fisica, questa era una materia abbastanza abbordabile e comprensibile con i criteri di apprendimento tradizionale, che consistevano nelle enunciazioni e formulazioni con modelli matematici, dei grandi principi fisici canonici e classici della storia della scienza. Studiosi eminenti, a cominciare da Galileo e Newton, erano i padri delle teorie più importanti che tentavano di spiegare i fenomeni fisici, quelli visibili.
Ma i fenomeni della fisica “invisibile”, il mondo atomico e subatomico, solo da non molti decenni aveva, allora, iniziato ad interessare una nuova generazione di giovani fisici. Era un campo molto difficile e tutte le teorie che, pian piano, venivano snocciolate erano di verificabilità parecchio ardua con gli strumenti, scarsissimi, della didattica tradizionale. Se, ad esempio, si parlava della struttura dell’atomo, chi mai avrebbe potuto verificare che gli elettroni girano attorno al nucleo, se nessun studente aveva mai osservato questo fenomeno. Si trattava di affermazioni che provenivano da “addetti ai lavori”, ai quali noi studenti, più o meno studiosi, dovevamo credere come per un atto di fede.
Ecco, la conoscenza della fisica cominciava a diventare una specie di religione.
Mentre certe equazioni delle formule fisiche come la “Legge di gravità universale”, potevano essere riscontrate e provate fisicamente, le leggi dell'”infinitamente piccolo” dovevano essere accettate come dogmi.
Gli scienziati del “microcosmo” dicevano e, anche oggi, ci dicono: “Credeteci, perché noi lo abbiamo sperimentato, in buona fede, con rigore e con metodo scientifico”, insomma con scienza e coscienza. Ma noi studenti, o la gente comune, sempre un atto di fede dovevamo e dobbiamo fare per imparare qualcosa di nuovo, ma , almeno secondo loro, di esatto.
Detto per inciso, non così hanno mai fatto le religioni. I dogmi, infatti, sono indimostrabili.
Usando termini oggi di moda, si può affermare che le religioni hanno realizzato una grande operazione di “marketing”, e di lavanderia cerebrale di massa. Non hanno mai dimostrato nulla, ma hanno sempre preteso di essere credute. E, per suffragare le loro apodittiche asserzioni hanno portato come prove dei “miracoli” che, per loro stessa natura e ammesso che siano tali, sono pur sempre delle eccezioni a regole di natura riscontrabili e verificabili, come sono quelle adoperate nei metodi di cui si avvalgono gli uomini di scienza.

Sessant’anni fa, nei programmi delle scuole superiori, non c’era la MECCANICA QUANTISTICA. Era materia di studio solo nei corsi delle Facoltà di Fisica nelle Università.  In questi ultimi tempi, non so come mai, m’ è venuta la curiosità di sapere qualcosa di più su questa branca della scienza, che sento dire, da diverse parti, essere molto importante.
Dopo molte ore di lettura, interessante, anzi, appassionante, e dopo aver filtrato quello che ho capito, vi premetto che non trascriverò, qui, la fase teorica di questa materia. Rimando i lettori alle informazioni reperibili su internet, che sono lunghe, approfondite e complete.
Mentre, invece, voglio trattare l’argomento, saltando subito alle possibili applicazioni tecnologiche, straordinariamente importanti, che sono comparse all’orizzonte del nostro futuro.
Lo farò, dopo aver riportato solo una breve definizione della materia in oggetto, ricavata da WIKIPEDIA:

La meccanica quantistica (o fisica quantistica o teoria dei quanti) è la teoria della meccanica attualmente più completa, in grado di descrivere il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica , dove le precedenti teorie classiche risultano inadeguate.
Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio che come entità particellare, al contrario della meccanica classica, dove per esempio la luce è descritta solo come un’onda o l’elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e controintuitiva proprietà della realtà fisica, chiamata dualismo onda-particella, è la principale ragione del fallimento delle teorie sviluppate fino al XIX secolo nella descrizione degli atomi e delle molecole. La relazione tra natura ondulatoria e corpuscolare è enunciata nel principio di complementarità e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg .

Esistono numerosi formalismi matematici equivalenti della teoria, come la meccanica ondulatoria e la meccanica delle matrici; al contrario esistono numerose e discordanti interpretazioni riguardo l’essenza ultima del cosmo e della natura.

La meccanica quantistica rappresenta, assieme alla relatività, uno spartiacque rispetto alla fisica classica portando alla nascita della fisica moderna, e attraverso la teoria quantistica dei campi, generalizzazione della formulazione originale che include il principio di relatività ristretta, è a fondamento di molte altre branche della fisica, come la fisica atomica, la fisica della materia condensata, la fisica nucleare e subnucleare, la fisica delle particelle, la chimica quantistica.

Questi sono gli scienziati che, a partire dal 1900 hanno contribuito a fondare e sviluppare questa che sembra, sempre di più, la fisica moderna:
Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Karl Heisenberg, Erwin Schroedinger, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Richard Feynman.

Mi rendo conto che l’argomento è ostico e poco invogliante, ma il mio scopo è quello di sapere cosa potremo fare di queste grandi novità, per poter migliorare la nostra vita di ogni giorno. In fondo, si tratta del progresso e non del pregresso.
Per questo, ho scelto una conferenza, tenuta da un giovane professore, Rosario Lo Franco, dell’Università di Palermo, che qui trascrivo.

LE  DIROMPENTI  CONSEGUENZE  TECNOLOGICHE  DELLA  MECCANICA  QUANTISTICA.

Consideriamo un corpo microscopico, delle dimensioni di un atomo, ovvero dell’ordine di un miliardesimo di metro.
Per darvi un’idea delle dimensioni, un pallone da calcio sta alla sfera terrestre, come un atomo sta ad una biglia di vetro del diametro di 1 centimetro.
Entriamo, adesso, nel cosiddetto MONDO QUANTISTICO e, da ora in poi, prendiamo la biglia come il nostro “oggetto quantistico”.
Innanzitutto, il nostro “oggetto quantistico” subisce il cosiddetto PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE (Superposition Principle of quantum object) o PARALLELISMO QUANTISTICO, nel senso che esso si può trovare, simultaneamente, in diverse configurazioni possibili.
Se, ad esempio, siamo interessati alla proprietà “colore”, bene, questo significa che la nostra biglia quantistica può trovarsi contemporaneamente nel colore giallo, blu, rosso o arancione.
Questo è molto strano, perché se pensiamo ad una biglia ordinaria, si vede bene che questa biglia è verde, o gialla, o blu, dipende da come è stata preparata: non diremo mai che questa biglia è simultaneamente di tutti questi colori.
Invece, un “oggetto quantistico” può esserlo.
Ma ancora più strano è, probabilmente, il concetto dell’ ENTAGLEMENT, che significa INTRECCIO, CORRELAZIONE, che si viene a creare quando  due “oggetti quantistici”, chiamiamoli A e B, vengono preparati in una condizione in cui sono, simultaneamente, entrambi rossi ed entrambi blu. Attenzione che, non appena avete preparato questa condizione, essa vale indipendentemente dalla distanza di questi due oggetti. Supponiamo, quindi, di lasciare A sulla terra e di portare B sulla luna. La condizione di ENTANGLEMENT significa che, se osservo A rosso, anche B sarà rosso; se osservo A blu, anche B diventerà blu. Ma, ancora più sconvolgente, se decido di cambiare il colore di A in un colore nel quale nessuna delle due biglie era stata precedentemente preparata, per esempio giallo, allora anche B diventa giallo, senza che nessuno abbia fatto qualcosa sulla luna.

Questo è sconcertante, perché significa che io sto facendo, ora e qui, qualcosa su di un oggetto e questo ha un effetto su un oggetto molto lontano.
Il fenomeno dell’ ENTANGLEMENT è talmente strano che stupì lo stesso Einstein che lo definì AZIONE SPETTRALE A DISTANZA (Spooky action at a distance).
Tuttavia, sia il PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE che l’ ENTAGLEMENT sono stati verificati in innumerevoli esperimenti e la MECCANICA QUANTISTICA rimane una delle teorie di maggior successo in tutta la storia della scienza.

Queste stranissime, bizzarre proprietà quantistiche hanno poi delle conseguenze inaspettate in campo tecnologico, con effetti potenzialmente dirompenti.
Possiamo, infatti, costruire un BIT QUANTISTICO (Quantum bit o QUBIT), associando il valore 0  (zero) al colore blu, e il valore 1 (uno) al colore rosso.
Quindi, il QUBIT è un oggetto quantistico che può trovarsi, contemporaneamente, nella configurazione 0 e 1.
Questo fa una grande differenza con un BIT DIGITALE classico, su cui si basano i nostri computer e smartphone classici, in cui un BIT classico può essere 0 oppure 1.
Se volete farvi un’idea di un BIT REALISTICO, potete pensare ad un atomo che può stare in due possibili livelli energetici, cioè due possibili orbite dell’elettrone attorno al nucleo, oppure pensate ad un FOTONE, che è il QUANTUM di luce, che può trovarsi in due possibili polarizzazioni diverse.
Polarizzazione è sostanzialmente la direzione in cui punta il campo elettromagnetico durante la propagazione.
Bene, ora che avete il QUBIT, potete costruire il computer quantistico (QUANTUM COMPUTER o Q.C.), il cui funzionamento si basa proprio su un assemblaggio di molti QUBIT. Facciamo N.

Le potenzialità in termini di calcolo di questo Q.C., rispetto ad un computer ordinario, sono potenzialmente enormi. Per capirlo, basta fare questo ragionamento: tutte le combinazioni possibili, in cui possono trovarsi gli N QUBIT, sono 2 elevato a N. Se avete due QUBIT, le combinazioni possibili sono 2 elevato alla seconda potenza , cioè 4:  00, 01,  10, 11.
A questo punto, il Q.C. grazie al PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE, può sfruttare, per elaborare l’informazione, contemporaneamente, tutte le 2 elevato alla N combinazioni degli N QUBIT.
Un computer ordinario questo non può farlo, perché, ogni volta, può utilizzare soltanto una delle configurazioni dei BIT classici: 0 oppure 1.
Capite che si tratta di un vantaggio, in linea di principio, di 2 elevato a N rispetto a 1.
A questo punto, voi potete collegare tanti Q.C., per creare una RETE QUANTISTICA (Quantum Network) e, in questa, potete trasferire un’informazione ed elaborarla, sfruttando le proprietà e le potenzialità dei QUBIT. Bene, che cosa ci possiamo fare di bello? Ci possiamo fare, ad esempio, il TELETRASPORTO QUANTISTICO (Quantum teleportation). Attenzione, però, per TELETRASPORTO QUANTISTICO, s’intende trasferimento di informazioni, cioè di proprietà fisiche di QUBIT e non di materia. Non c’è nulla che viene smontato, smaterializzato da una parte e rimontato da un’altra parte.
Inoltre, non andremo mai ad osservare e misurare le proprietà fisiche del QUBIT che si vuole trasmettere, per non comprometterle. Questo significa, se ben ci pensate, che è come se volessimo comunicare l’ora che segna il nostro orologio, senza mai guardare l’orologio.

Questo tipo di TELETRASPORTO si può fare, ad esempio, se abbiamo due QUBIT, chiamiamoli A e B, uno, A, in un osservatorio a terra, e uno, B, in una stazione spaziale orbitante, a patto che questi due QUBIT siano, entrambi, nella condizione di ENTANGLEMENT che abbiamo descritta.
A questo punto, se voi avete un terzo QUBIT, chiamiamolo C, e volete trasferire le sue proprietà fisiche da esso a B, che è il QUBIT che sta sulla stazione spaziale orbitante, potete farlo, mettendo a punto opportune operazioni locali, nell’osservatorio e nella stazione spaziale. L’effetto finale è che B, ad esempio, è diventato blu, come lo era C, cioè ha assunto esattamente le stesse proprietà di C. Siamo contenti! A questo punto, bisogna rendersi conto che poter realizzare il TELETRASPORTO è essenziale per costruire delle efficienti RETI QUANTISTICHE.
E considerate pure che sono stati fatti moltissimi esperimenti di TELETRASPORTO, tra un laboratorio ed un altro, utilizzando i FOTONI, i QUANTUM di luce. Recentemente, un team di ricercatori cinesi ha, addirittura, realizzato un TELETRASPORTO tra un laboratorio sul pianeta terra ed un satellite in orbita.

Un altro aspetto interessante è la FATTORIZZAZIONE dei fattori primi.
Se voi prendete un numero molto grande, ad esempio di 300 cifre, il più potente calcolatore digitale, esistente ora sulla terra, impiegherebbe 600.000 anni per scomporlo in fattori primi.
Invece, un Q.C. ideale, tramite un opportuno algoritmo, ci metterebbe 1 secondo.
(N.d.R.) Io faccio una moltiplicazione, ad esempio, 3 X 5 = 15; in matematica, il suo contrario è la divisione, 15 : 3 = 5; in termini digitali è la scomposizione: 15 = 3 X 5. Ora, bisogna sapere che un computer digitale classico è molto veloce a fare la moltiplicazione, ma è lentissimo a fare la scomposizione in fattori primi.

Attenzione, però, che questo clamoroso vantaggio in termini di velocità di calcolo, andrebbe a compromettere i sistemi di sicurezza delle nostre carte di credito e delle password, che sono basate proprio sulla difficoltà di scomporre un grande numero in fattori primi.
Tuttavia, possiamo andare ad intervenire con la CRIPTOGRAFIA QUANTISTICA (Quantum Cryptography), che permette di trasmettere informazioni e dati in totale sicurezza, a prova di spia, tra un mittente e un ricevente. Di fatto, ogni intervento della spia all’interno della comunicazione, inevitabilmente andrebbe a modificare le proprietà fisiche dei QUBIT trasferiti. E queste modifiche verrebbero, immediatamente, rilevate dal ricevente che, a questo punto, può tranquillamente decidere di interrompere la comunicazione per riprenderla in seguito.
Anche in questo caso, sono stati fatti, in laboratorio, svariati esperimenti che realizzano la CRIPTOGRAFIA QUANTISTICA e la comunicazione sicura, tramite FOTONI, i Quantum di luce. Ci sono alcune compagnie che cominciano a commercializzare dispositivi che realizzano la CRIPTOGRAFIA  QUANTISTICA.

Ma, adesso, la vera, grande domanda è: quanto siamo distanti dall’avere un COMPUTER QUANTISTICO pratico, efficiente, da poter adoperare con le nostre mani?
Vi posso dire subito che i più grandi colossi dell’informatica come IBM, GOOGLE in collaborazione con la NASA, APPLE, INTEL, MICROSOFT  le industrie cinesi e russe e, da poco, anche l’Europa stanno investendo grandi risorse in questa direzione.
Ciascuna di queste compagnie ha un prototipo di Q.C. con un piccolo numero di QUBIT (circa una decina).
Ad esempio, l’IBM ha messo a disposizione, online e opensource, il proprio prototipo di Q.C. essenzialmente per finalità accademiche.
Ovviamente, lo scopo ultimo è quello di costruire un Q.C. con molti QUBIT, per sfruttarne le enormi potenzialità di calcolo, in campi, per esempio, come l’intelligenza artificiale, oppure la simulazione di sistemi molto complessi per poter prevedere e comprendere sempre meglio il loro comportamento.
Applicazioni molto importanti e clamorose sono previste in campo medico e per la progettazione di farmaci (personalizzabili?).

Capite bene che queste mostruose potenzialità hanno suscitato grandissimo interesse da parte dell’opinione pubblica, e anche dei governi, verso la MECCANICA QUANTISTICA e verso l’impatto tecnologico di questa.
Ci sono un sacco di notizie che circolano su questi argomenti, nei canali di comunicazione di massa, ma anche per quanto riguarda gli investimenti che vengono fatti in questo senso.
Per darvi un’idea di come la parola QUANTUM sia diventata di moda, adesso, vi informo che, nel quartiere “Palermo” di Buenos Aires, è stato eretto un bellissimo grattacielo che viene chiamato QUANTUM PALERMO.

Debbo dirvi una cosa importante.
I prototipi di Q.C. che abbiamo per le mani, fino ad ora, non riescono ancora a manifestare davvero i grandi vantaggi rispetto ai computer ordinari.
Rimangono, infatti, da risolvere importanti problemi pratici.
Innanzitutto, la SCALABILITÀ, nel senso che è difficile produrre Q.C. molto efficienti, con un numero sempre più grande di QUBIT.
Inoltre, c’è il problema della CORREZIONE degli inevitabili errori che avvengono durante i normali processi di calcolo e che richiedono ulteriori QUBIT, che vanno a complicare ancora di più il sistema.
E poi, c’è il problema del RUMORE dovuto alla inevitabile interazione dei QUBIT con l’ambiente circostante e che tende a distruggere, in tempi brevissimi, le proprietà quantistiche,come la SOVRAPPOSIZIONE E l’ENTAGLEMENT che noi vogliamo mantenere il più a lungo possibile, per sfruttarle per i nostri scopi.
La comunità scientifica sta facendo sforzi enormi per cercare di risolvere questi problemi. Possiamo sicuramente dire che passerà ancora del tempo prima di vedere una diffusione, su larga scala, dei Q.C..

Voglio adesso citare Richard P. Feynman, uno dei più grandi fisici del ‘900, ed un suo aforisma: “I learned very early the difference between knowing the name of something and knowing something”.
“Ho imparato molto presto la differenza fra conoscere il nome di qualcosa e conoscere questo qualcosa”.
Questa frase mi piace un sacco, perché sintetizza l’essenza del fare ricerca, perché fare ricerca significa approfondire, conoscere sempre di più come si comportano le cose che ci circondano, non limitandoci semplicemente al nome di queste cose. E, in più, questa bella frase mi permette di fare questa riflessione finale.
Viviamo in un periodo storico in cui si sta diffondendo una certa cultura antiscientifica. C’è molta gente che crede ad assurde teorie del complotto. Basti pesare che c’è ancora una certa quantità di persone, che è convinta che la terra sia piatta. È così, anche se basta mettersi sul molo di un porto per vedere una nave scomparire  all’orizzonte. La nave scompare  non perché la vista non ci aiuta; possiamo prendere un binocolo, un cannocchiale, un telescopio , non la vedrete più comunque, perché è scomparsa sotto la linea dell’orizzonte, a causa della curvatura terrestre. E si potrebbe continuare con chi afferma che non ci sarebbe mai stato lo sbarco sulla luna, quando ci sono state svariate missioni “Apollo”, ben 11 e ben documentate, che dicono il contrario. Per non parlare delle scie chimiche e dei discorsi sui vaccini.
Allora, permettetemi di concludere con questo messaggio.
Fidatevi, per favore,  degli scienziati che dedicano la loro vita per cercare di capire come funzionano veramente le cose. Lo fanno con rigore e metodo scientifico.
Questo non è un atto di debolezza, ma un atto di grande intelligenza.

 

Prof. Rosario Lo Franco
Dipartimento di Energia, Ingegneria dell’Informazione e Modelli Matematici.
Università degli Studi di Palermo.

 

Aggiungo alcune definizioni esplicative ricavate da WIKIPEDIA.

Quante informazioni possono essere rappresentate da un qubit?

Paradossalmente ci sono un numero infinito di combinazioni lineari della base ortonormale così da permettere, almeno in linea di principio, la rappresentazione in un unico qubit di tutto lo scibile umano.

Ma è una conclusione erronea in virtù del comportamento del qubit in fase di misurazione. Va tenuto presente, infatti, che l’esito della misurazione dello stato di un qubit può essere soltanto 0 o 1. Di più, la misurazione del qubit ne cambia inesorabilmente lo stato, riducendo la sovrapposizione in uno dei due specifici stati rappresentati dai vettori della base computazionale.

Quindi, dalla misurazione di un qubit, è possibile ottenere la stessa quantità di informazione rappresentabile con un bit classico. Questo risultato è stato dimostrato rigorosamente dal Teorema di Holevo.

Sovrapposizione e entanglement nell’informatica quantistica.

Mentre il bit classico è immaginabile come una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra mostrando inesorabilmente una delle due facce, il qubit è immaginabile come una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra continuando a ruotare su sé stessa senza arrestarsi finché qualcuno non ne blocchi la rotazione, obbligandola a mostrare una delle sue facce.

Tuttavia la natura continua dello stato del qubit (che permette l’esistenza degli stati di sovrapposizione) non è l’unica caratteristica distintiva del qubit rispetto al cugino classico.

Nel pieno rispetto delle leggi della meccanica quantistica, una combinazione di più qubit è soggetta ad una caratteristica chiamata entanglement.

Il termine inglese letteralmente significa “ingarbugliamento”, “intreccio”. Una buona traduzione potrebbe essere “legatura”: in condizione di entanglement, due qubit perdono la loro natura individuale per assumere una unità di coppia. In tale condizione lo stato di un qubit influenza lo stato dell’altro e viceversa.

Rappresentazione geometrica del qubit.

L’unico modo sinora individuato per fornire una efficace rappresentazione geometrica di un qubit consiste nella cosiddetta sfera di Bloch. Formalmente il qubit, in quanto punto di uno spazio vettoriale bidimensionale a coefficienti complessi, avrebbe quattro gradi di libertà, ma la condizione di completezza da un lato e l’impossibilità di osservare il fattore di fase dall’altro li riducono a 2.

Dunque un qubit può essere rappresentato come punto sulla superficie di una sfera di raggio unitario.

Numero1856.

Posted on by

AD  ULTERIORE  INTEGRAZIONE  ED APPROFONDIMENTO  DEL  NUMERO  1857

Computer QuantisticoLo sviluppo dei computer quantistici affonda le sue origini negli anni ’80. Fu allora che i ricercatori cominciarono ad intravedere la possibilità di creare un super elaboratore in grado di sfruttare le leggi della meccanica e della fisica quantistica per oltrepassare finalmente i limiti dei cosiddetti super computer, spalancando di fatto le porte ai nuovi e interessantissimi orizzonti dell’Intelligenza Artificiale. Ad oggi, sono già stati creati sistemi avanzati basati su pochi qubit (bit quantistici), ma la vera sfida di scienziati e ricercatori è realizzare computer quantistici basati su migliaia di qubit entro pochi anni. Soltanto questa condizione consentirebbe un vero e proprio “salto quantico” nella qualità dei calcoli che un computer riesce ad eseguire. In sostanza, stiamo parlando di sistemi contenenti infiniti qubit (e non i bit utilizzati dai computer che conosciamo), capaci di effettuare centinaia di migliaia di calcoli al secondo. Gli studi tuttora in corso fanno sapere che ci vorranno almeno dieci anni per raggiungere una maturità tecnologica tale da poter realizzare una macchina di questo genere. A contendersi la partita al momento sono Google, IBM, Intel e Microsoft, ma anche alcuni centri specializzati come quello di Harvard e il MIT (Massachusetts Institute of Technology), che si scontrano con le ingerenze di alcuni studi russi e cinesi. Di recente, anche l’Unione Europea ha finalmente deciso di investire nella ricerca, destinando un miliardo di euro per i prossimi dieci anni.

Cos’è e come è fatto un computer quantistico?

Bit e QubitTutti i computer che usiamo si basano sulla logica binaria. Ogni unità (il bit) prevede due possibilità di scelta (0 e 1) e tutte le informazioni offerte (più o meno complesse) vengono elaborate con una stringa di valori composta da tanti 0 e 1. Questo non è il caso del computer quantistico, che punta a sfruttare le diverse proprietà della fisica e della meccanica quantistica, consentendo al sistema di ragionare in maniera profondamente diversa dai computer precedenti e, quindi, non lineare. Il bit, infatti, è stato sostituito con il qubit, in grado di analizzare qualsiasi query o problema in maniera simultanea, anziché binaria. Il computer quantistico, pertanto, non funziona in parallelo e la sua rapidità non dipende da una mera questione di potenza, ma è legata semplicemente a un modo totalmente nuovo di elaborare le informazioni. Se gli attuali computer seguono le regole della fisica classica, questo non è il caso dei computer quantistici, i quali grazie alla fisica quantistica sarebbero in grado di processare informazioni che con gli attuali sistemi richiederebbero migliaia di anni. Non si tratta di una tecnologia che darà vantaggi in ogni ambito, motivo per il quale i computer tradizionali non verranno accantonati. Ciò nonostante, questo nuovo approccio lascia intravedere possibilità di applicazione enormi e, già attualmente, esistono settori nei quali il salto sembra molto interessante. Tra questi la chimica, la fisica, la farmaceutica e la crittografia. Per adesso, queste macchine sono ancora in fase embrionale, soprattutto dal punto di vista dell’hardware. Malgrado gli investimenti effettuati negli ultimi anni da molte aziende attive nel settore informatico, la sperimentazione procede ancora a tentoni. Il motivo principale sta nella mancanza degli standard e, soprattutto, nella scarsità di specialisti in grado di lavorarvi, essendo questi poche centinaia in tutto il mondo. Per capire come la scienza sia arrivata alla realizzazione dei computer quantistici è necessario tirare in ballo la Legge di Moore e la miniaturizzazione dei circuiti: a partire dagli anni ’60, si è assistito a un miglioramento progressivo della potenza di calcolo dei Pc, incremento legato a doppio filo con la parallela e costante miniaturizzazione dei circuiti elettronici da cui deriva anche la celebre Legge di Moore. Secondo questa regola, la complessità dei microcircuiti, misurata attraverso il numero di transistor presenti in un chip (il processore) e la conseguente velocità di calcolo, raddoppiano ogni 18 mesi. Tuttavia, questa legge oggi non risulta quasi più applicabile e il motivo principale sta nel raggiungimento dei limiti imposti dalla meccanica, che rendono molto più difficile che in passato proseguire sulla strada della miniaturizzazione. Limite questo, che in un certo senso ha spalancato le porte a un netto cambio di paradigma, basato sulla necessità di sfruttare le potenzialità della meccanica e della fisica quantistica, allo scopo di raggiungere una maggior potenza e fluidità di calcolo. Ed ecco che i bit sono stati sostituiti dai qubit, non codificati medianti i simboli 1 e 0, ma relativi allo stato quantistico in cui si trovano le particelle o gli atomi impiegati. Questi ultimi possono avere contemporaneamente valore 1 e 0, tra l’altro in una varietà di combinazioni tali da produrre milioni di stati quantistici differenti. Una condizione che assume significati vastissimi se pensata in relazione alla progressione matematica: 2 qubit possono avere ben 4 stati contemporaneamente, 4 qubit corrispondono a 16 stati, 16 qubit a 256 stati e così via fino a quantità che nessuno strumento elettronico attuale è in grado di immaginare. Grazie a questi sistemi le capacità di codifica si amplierebbero talmente tanto da poter processare informazioni estremamente complesse, come quelle che regolano l’Intelligenza Artificiale. In poche parole, un computer quantistico sarebbe capace di elaborare nello stesso momento, in virtù delle sue capacità di calcolo parallelo, diverse soluzioni per un singolo problema, anziché semplici calcoli sequenziali come avviene attualmente per i pc tradizionali.

Come funzionano i computer quantistici?

Per il momento, a frenare gli scienziati che stanno lavorando a questi sistemi, è stata la manipolazione controllata degli atomi e delle particelle (finora realizzata con successo soltanto in presenza di pochi qubit ma mai per elaborazioni più complesse, che necessitano di centinaia o migliaia di qubit). La gestione degli atomi riguarda principalmente la loro comunicazione e connessione. Inoltre, è fondamentale uno sviluppo parallelo degli algoritmi dedicati. Il funzionamento di questi sistemi avanzati si basa essenzialmente su due delle leggi che regolano la meccanica quantistica:

  • “il principio di sovrapposizione“, da cui ha origine la capacità delle particelle di trovarsi in più stati diversi contemporaneamente (dando la possibilità anche al qubit di poter essere sia 1 che 0 simultaneamente);
  • “la correlazione quantistica” (entanglement), che indica il vincolo esistente tra due particelle e, in questo caso, due qubit; secondo tale principio, è possibile individuare lo stato di una particella (e di un qubit) osservando quella a cui è vincolata.

Dal punto di vista puramente pratico, il funzionamento dei computer quantistici prevede due approcci fondamentali:

  • il primo, che avviene attraverso il raffreddamento dei circuiti con il raggiungimento del cosiddetto zero assoluto(indicato con il valore di 0 gradi Kelvin, corrispondenti a -273,15 gradi Celsius). In questo modo i circuiti funzionano come conduttori senza alcuna resistenza che interferisca sulla corrente; in tal caso è possibile parlare di “punti quantici“, termine usato per indicare una nanostruttura dotata di uno speciale materiale semiconduttore, situata in un altro semiconduttore con un intervallo di energia più ampio;
  • il secondo metodo previsto, invece, ricorre ai cosiddetti ioni intrappolati, ovvero quegli atomi e molecole dotati di una carica elettrica e intrappolati in un campo elettromagnetico. Questi atomi vengono manipolati affinché il dislocamento degli elettroni sia in grado di produrre una trasformazione dello stato degli ioni e di conseguenza possa funzionare come qubit;

Seguendo tali principi, il computer quantistico è in grado di sfruttare i qubit per processare calcoli infinitamente complessi, a una velocità che attualmente risulta inimmaginabile (rispetto alle macchine odierne, sarebbero capaci di impiegare secondi anziché anni, garantendo risultati nettamente più affidabili). Come affermato in precedenza, esistono ancora molti ostacoli da superare, tra cui la manipolazione corretta delle particelle (particolarmente fragili e volatili, proprio perché soggette a cambiamenti di stato repentini), la creazione di infrastrutture hardware adeguate (attualmente per il raffreddamento di questi particolari sistemi viene impiegato l’elio e le macchine devono essere conservate in ambienti senza vibrazioni) e lo sviluppo di algoritmi espressamente dedicati al quantum computing.

La storia del computer quantistico

Murray Gell-Mann

Il primo a pensare ad un computer basato sull’uso delle particelle elementari fu Murray Gell-Mann (cui fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1969). Il fisico statunitense, nel 1982, aveva già intravisto la possibilità di sfruttare talune proprietà degli atomi per dar vita a una tipologia innovativa di scienza informatica. Richard Feynman raccolse le idee di Gell-Mann e introdusse il metodo della sovrapposizione degli stati delle particelle elementari. Tre anni dopo, nel 1985, David Deutsch dimostrò l’assoluta validità di queste indicazioni e lavorò per metterle in pratica. Nel 1998 fu realizzato il primo prototipo di computer quantistico. A rendere realtà le intuizioni dei colleghi che l’avevano preceduto fu il fisico Bruce Kane, che realizzò un elaboratore basato su atomi di fosforo disposti su uno strato di silicio spesso soltanto 25 nanometri. Nel 2001, IBM ha realizzato uno dei primissimi elaboratori quantistici a 7 qubit, mentre nel 2013 è stato presentato al pubblico il computer quantistico D-Wave. Nel 2016, dopo che IBM ha messo pubblicamente a disposizione il primo computer quantistico in modalità cloud (Quantum Experience, dotato di un processore a 5 qubit), il governo cinese ha lanciato in orbita il satellite Micius, il primo della storia ad usare standard di comunicazioni quantistiche, avviando di fatto una competizione serrata tra Cina e Stati Uniti. Nel 2017, IBM ha aggiornato i suoi elaboratori quantistici via cloud, dotandoli di processori a 16 e a 20 qubit. Il primato di IBM, tuttavia, è durato soltanto pochi mesi, poiché nel marzo del 2018 a strapparlo all’azienda informatica americana ci ha pensato Google, con il suo nuovissimo Quantum AI Lab, dotato di un processore Bristlecone a 72 qubit. Sempre nel marzo del 2018 l’Istituto di Fisica e di Tecnologia di Mosca ha lanciato una nuova affascinante sfida, presentando al mondo intero un articolo relativo agli sviluppi di una connessione Internet quantistica ad alta velocità, un’innovazione che aprirebbe scenari inimmaginabili.

Gli ambiti interessati: chimica, biologia, farmaceutica e crittografia

Quantum Computing e Blockchain

Le future applicazioni dei computer quantistici cominceranno laddove le macchine tradizionali non sono in grado di arrivare. I computer del prossimo futuro, infatti, puntano a risolvere problemi estremamente complessi, sia definendo simulazioni basate sulle regole della natura, sia velocizzando in maniera esponenziale le operazioni richieste. Scendendo più nel dettaglio, una delle applicazioni future che pare maggiormente alla portata del quantum computing sembra essere quella relativa al settore chimico-biologico. In questo caso, le simulazioni possono essere utili per comprendere meglio le possibili interazioni tra le molecole da impiegare nello sviluppo dei farmaci. In futuro, potremmo produrre in maniera più efficiente e aderente alle nostre esigenze prodotti quali medicinali e concimi. E per ottenere quanto appena detto potrebbero bastare processori costituiti da 100/200 qubit. Oggi, le macchine più evolute ed affidabili raggiungono i 70-75 qubit. Qualora si riuscissero a creare computer quantistici animati da migliaia di qubit, potremmo accedere a simulazioni e informazioni sempre più complesse e, quindi, ad ulteriori applicazioni in grado di abbracciare un gran numero di settori diversi. L’altro campo interessato dalle sperimentazioni è la crittografia, ovvero la tecnologia che consente di cifrare i messaggi rendendoli incomprensibili a tutti coloro che non sono in possesso delle chiavi che permettono di renderli leggibili.

Oltre che per cifrare meglio le proprie informazioni, i computer quantistici potrebbero essere anche lo strumento per svelare e decifrare i messaggi di eventuali vittime o avversari. In teoria, con questi sistemi sarebbe possibile persino “bucare” una blockchain, oggi praticamente inattaccabili con i computer tradizionali. Al momento, soltanto i governi e le più importanti aziende di ricerca hanno accesso ad applicazioni di questo tipo, ma è ovvio che nel prossimo futuro andrà messa in piedi anche una discussione relativa al tema delle competenze, onde evitare spiacevoli inconvenienti.

I computer quantistici di IBM e Google

IBM è stata una delle prime realtà ad aver investito nello sviluppo del Quantum Computing e nella realizzazione di computer quantistici generalisti ed accessibili a tutti. Oggi, sono disponibili sistemi da 20 qubit pronti all’uso e, a breve, anche macchine dotate di processori da 50 e più qubit. I sistemi IBM Q online dotati di processori da 20 qubit, a partire dall’anno in corso vedranno miglioramenti nella progettazione degli stessi qubit, oltre che nel packaging, nell’hardware e nella connettività. I tempi di coerenza (ovvero la quantità di tempo necessaria per eseguire i calcoli) si attestano attualmente sui 90 microsecondi. Oltre che per l’elevata velocità di calcolo, questi sistemi di nuova generazione si differenziano anche per un’eccellente affidabilità. Su quantità di qubit infinitamente più elevate si attestano i computer quantistici realizzati in collaborazione da NASA e Google, presso uno dei poli di sviluppo informatico più noti al mondo: il Quantum Artificial Intelligence Lab in California. Il dispositivo realizzato più di recente prende il nome di D-Wave Two, un computer quantistico a 512 qubit derivato direttamente dal D-Wave, nato nel 2011 e dotato di un processore da 128 qubit. Il D-Wave Two è un computer quantistico in cui ogni qubit si presenta come un circuito superconduttore tenuto a temperature bassissime (circa -271 gradi Celsius), grazie all’impiego dell’elio e di alcuni dischi in rame che provvedono a schermare il sistema dalle interferenze elettromagnetiche e a dissipare il calore prodotto dalla macchina. Il problema principale che i computer quantistici sono chiamati ad affrontare riguarda l’ancora elevata percentuale di errore. Questi dispositivi funzionano a temperature bassissime e vanno schermati dall’ambiente circostante in quanto i bit quantistici usati attualmente risultano ancora molto instabili e ogni genere di rumore o cambio di temperatura può generare errori. Proprio per questo motivo, i qubit presenti nei processori quantistici non sono in realtà singoli qubit, ma spesso combinazioni di bit in grado di ridurre gli eventuali errori. Un altro fattore che limita la ricerca e la produzione di sistemi super intelligenti è relativo al fatto che la maggior parte di questi computer è in grado di conservare il proprio stato per meno di 100 microsecondi. I sistemi realizzati da Google hanno evidenziato tassi di errore ancora elevati, pari all’1% per quanto riguarda la lettura, allo 0,1% per i single-qubit e allo 0,6% nel caso delle porte a due-qubit. Ciascuno dei chip Bristlecone a basso errore realizzati da Google è munito di 72 qubit. Google, oltre che sui qubit, sta lavorando anche per migliorare la sincronizzazione di tutte le tecnologie presenti in un computer di questo genere (il software, l’elettronica di controllo e il processore stesso).

Il futuro dei computer quantistici

IonQ sta attualmente lavorando alla realizzazione di un computer quantistico che impiega il metodo degli ioni intrappolati. Secondo Christopher Monroe, fisico e fondatore di IonQ, la scienza si sta attualmente concentrando su due modelli distinti, ovvero i circuiti superconduttori (la strada percorsa da IBM e Google) e gli ioni intrappolati (sui quali sta lavorando il centro di ricerca di Harvard). Facendo delle comparazioni tra i due sistemi, Monroe è giunto alla conclusione che le prestazioni ottenute attraverso tali tecnologie siano molto simili. A fare la differenza, però, sarebbe il collegamento tra i qubit: tutti gli ioni intrappolati sono collegati fra loro mediante forze elettromagnetiche; nei circuiti superconduttori, invece, soltanto alcuni qubit sono connessi, condizione in grado di rallentare il passaggio delle informazioni. Sempre secondo Monroe, l’umanità potrà salutare la comparsa dei primi sistemi dotati di migliaia di qubit entro poco più di un decennio. Ovviamente, scienziati e ricercatori intuiranno meglio le possibili applicazioni man mano che questi sistemi verranno migliorati.

 

Numero1852.

Posted on by

Questa, che qui presento, è la trascrizione, parola per parola, di un bellissimo documentario di SKY, della Serie CURIOSITY, dal titolo: DIO HA CREATO L’UNIVERSO? e che ha per protagonista uno dei più grandi scienziati della storia umana.
Tutti lo ricordiamo immobilizzato, rattrappito e contorto in una postura innaturale a causa della SLA (Sindrome Laterale Amiotrofica), davanti ad un monitor, con il quale comunicava per mezzo di un solo muscolo della guancia (leggete il numero successivo 1851), per trasmettere, con questo sintetizzatore computerizzato, il contenuto dei propri pensieri.
Il mio è un modesto, ma deferente e ammirato omaggio ad una delle più grandi menti della nostra storia scientifica.
La sua lucidità anticonformista e senza ombra di ipocrisia, raccoglie appieno tutto il mio consenso e plauso.

STEPHEN  WILLIAM  HAWKING  (1942 – 2018) è stato un cosmologo, fisico, matematico, astrofisico, accademico e divulgatore scientifico britannico, fra i più autorevoli e conosciuti fisici teorici del mondo, noto soprattutto per i suoi studi sui BUCHI NERI, sulla “Cosmologia Quantistica” e sull’Origine dell’Universo.
Alcuni titoli della sua produzione bibliografica:
DAL  BIG  BANG  AI  BUCHI  NERI (Breve storia del tempo),
LA  NATURA  DELLO  SPAZIO  E  DEL  TEMPO,
L’ UNIVERSO  IN  POCHE  PAROLE,
IL  GRANDE  DISEGNO,
LE  MIE  RISPOSTE  ALLE GRANDI  DOMANDE.

DIO  HA  CREATO  L’ UNIVERSO ?

VOCE  DI STEPHEN  HAWKING:
Ciao, sono Stephen Hawking, fisico, cosmologo, ma, soprattutto, sognatore.
Anche se non posso muovermi e devo parlare attraverso un computer, nella mia mente sono libero. Libero di esplorare i più grandi misteri dell’universo e di pormi grandi interrogativi come: esiste un Dio che ha creato e che controlla l’universo, le stelle, i pianeti e, soprattutto, ciascuno di noi?
Per scoprirlo, compiamo un viaggio attraverso i misteri della natura, perché è lì che si nasconde la risposta all’eterno mistero di come sia nato l’universo e di come funzioni davvero.
Seguitemi.
Di recente, ho pubblicato un libro che parla di Dio e della nascita dell’universo. Ho causato un po’ di subbuglio. La gente si è risentita che uno scienziato avesse qualcosa da dire in materia di religione.
Non ho intenzione di dire a nessuno in che cosa credere, ma, per me, è giusto che la scienza si chieda se Dio esiste.
Dopotutto, non esiste un  mistero più grande e più importante del sapere chi ha creato l’universo e chi lo controlla.

VOCE  DEL  NARRATORE:
In un passato lontano, la risposta era, quasi sempre, la stessa: Dio ha creato tutto. Il mondo era un luogo spaventoso e, persino un popolo forte come quello Vichingo, faceva appello agli esseri sovrannaturali per spiegare fenomeni naturali, come il tuono e le tempeste.
I Vichinghi avevano molti Dei diversi. Thor era il Dio del Tuono; un altro, Egir, scatenava le tempeste marine. Ma il Dio  più temuto si chiamava Skol. Era lui il responsabile del terrificante fenomeno naturale che oggi chiamiamo “Eclissi Solare”. Skol era un “Dio Lupo” che viveva in cielo. A volte, ingoiava il sole, provocando quell’istante spaventoso in cui il giorno si trasforma in notte.
Senza una spiegazione scientifica, immaginate quanto doveva essere inquietante veder scomparire il sole.
I Vichinghi reagirono nel solo modo che sembrasse loro sensato: cercavano di scacciare il Lupo. I Vichinghi credevano che fossero le loro azioni a far sì che il sole tornasse. Naturalmente, oggi sappiamo che non è così: il sole sarebbe riapparso comunque.
L’universo non è poi così sovrannaturale o misterioso come potrebbe sembrare. Ma ci vuole più coraggio di quanto ne avessero i Vichinghi per scoprire la verità.
Anche noi, semplici mortali, possiamo capire come funziona l’universo.
L’uomo arrivò a questa conclusione molto prima dell’epoca vichinga, nell’antica Grecia.
Intorno al 300 a. C., un filosofo, di nome Aristarco, subiva, anche lui, il fascino delle eclissi, in particolare di quelle diurne. E fu tanto coraggioso da chiedersi se fossero davvero causate dagli Dei. Aristarco fu un vero pioniere della scienza. Studiò il cielo con attenzione ed arrivò ad una conclusione senza precedenti. Si  rese conto che l’eclissi, in realtà, era solo l’ombra della terra proiettata sulla luna, e non un evento divino. Affrancato da questa scoperta, riuscì a capire che cosa accadeva davvero sopra la sua testa e disegnò uno schema che mostrava l’effettivo rapporto fra sole, terra e luna.
Di qui, arrivò a conclusioni ancora più sorprendenti. Dedusse che la terra non era ferma al centro dell’universo, come tutti credevano, ma che girava attorno al sole. Infatti, la comprensione di questo sistema spiega tutte le eclissi.
Quando la luna proietta la sua ombra sulla terra, si verifica un’eclissi solare. E quando la terra fa ombra alla luna, si verifica un’eclissi lunare.
Ma Aristarco si spinse ancora oltre. Suggerì che le stelle non erano spaccature nel tetto del cielo, come credevano i suoi contemporanei, ma degli altri soli, proprio come il nostro, solo enormemente lontani.
Quale rivelazione stupefacente dovette essere: l’universo è una macchina governata da principi o leggi! Leggi che possono essere comprese dalla mente umana.

VOCE  DI STEPHEN  HAWKING:
Credo che la scoperta di queste leggi sia stata la più grande conquista del genere umano. Perché saranno queste leggi della natura, come le chiamiamo oggi, a dirci se ci serve un Dio per spiegare l’universo.
Per secoli, si è creduto che le persone disabili, come me, fossero state colpite da una maledizione divina. Anche se ritengo possibile che io abbia disturbato qualcuno lassù, preferisco pensare che tutto possa essere spiegato diversamente, con le leggi della natura.
Ma che cos’è, esattamente, una legge della natura? E perché è così potente?
Ve lo mostro con una partita di tennis.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Il tennis è disciplinato da una serie di leggi. La prima è creata dall’uomo e corrisponde alle regole del gioco. Riguarda parametri come le dimensioni del campo, l’altezza della rete e le condizioni che determinano se un tiro è dentro oppure è fuori. Queste regole potrebbero cambiare, se la Federazione del Tennis lo volesse. Ma, l’altra serie di leggi che governano il gioco sono fisse, immutabili. Queste leggi regolano ciò che accade alla pallina, quando viene colpita. La forza e l’ambulazione del colpo di racchetta determinano esattamente ciò che accadrà. Le leggi della natura descrivono l’effettivo funzionamento delle cose, nel passato, nel presente e nel futuro. Nel tennis, la pallina arriva esattamente dove la portano tali leggi. Ma qui, molte altre leggi scendono in campo. Esse governano tutto ciò che accade. Da come l’energia del colpo viene prodotta nei muscoli dei giocatori, alla velocità con cui l’erba cresce sotto i loro piedi.. Ma, l’aspetto più importante di queste leggi fisiche è che, oltre a essere immutabili, sono universali. Si applicano non solo al volo di una pallina, ma anche al moto dei pianeti e di tutto l’universo.
A differenza delle leggi create dall’uomo, quelle della natura non possono essere infrante. Ecco perché sono così potenti. E, se viste da un punto di vista religioso, anche controverse.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
Se accettate, come me, che le leggi della natura sono invariabili, non tarderete a chiedervi quale ruolo resta a Dio.
Qui risiede buona parte della contraddizione tra scienza e religione. E anche se le mie idee, di recente, hanno fatto scalpore, si tratta di un dibattito ben più antico.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Già nel 1277, Papa Giovanni XXI si sentiva così minacciato dal concetto di “legge di natura” da dichiararlo un’eresia.
Purtroppo per lui, questo non sortì alcun effetto sulla legge di gravità. Pochi mesi dopo, il tetto del palazzo papale cedette, cadendo sulla testa del Papa.
Ma la religione trovò, ben presto, una soluzione. Per alcuni secoli a venire, si dichiarò, semplicemente, che le leggi della natura erano opera di Dio e che solo lui poteva infrangerle. Questa visione era rafforzata dall’idea che il nostro perfetto pianeta blu se ne stesse immobile al centro del tutto e che le stelle e i pianeti ruotassero attorno alla terra, come un meccanismo perfettamente regolato. Le idee di Aristarco erano state archiviate da tempo.
Ma l’uomo ha sete di scoperte e qualcuno, come Galileo Galilei, non poté fare a meno di scrutare, ancora una volta, l’opera meccanica di Dio.
Era il 1609 e, questa volta, i risultati avrebbero cambiato tutto. Galileo è il fondatore della scienza moderna e uno dei miei eroi. Pensava, come me, che se si guarda l’universo abbastanza da vicino, è possibile decifrare tutti i misteri. La sua determinazione era tale che, per la prima volta nella storia, mise a punto delle lenti capaci di ingrandire di 20 volte il cielo notturno. Assemblandole con attenzione, costruì un telescopio. Dalla sua casa di Padova, usò il suo telescopio per studiare Giove, notte dopo notte. E fece una scoperta straordinaria: 3 piccoli puntini vicinissimi al pianeta gigante. Dapprima pensò che si trattasse di piccole stelle ma, osservandoli per più notti di seguito, notò che i puntini si spostavano. Poi ne apparve un quarto. A volte, uno di essi spariva dietro Giove e poi riappariva. Comprese che dovevano essere delle lune in orbita attorno al pianeta gigante. Era la prova concreta che esisteva qualcosa che non orbitava attorno alla terra. Ispirato da questa scoperta, Galileo arrivò a dimostrare che la terra, in realtà, girava attorno al sole.
Aristarco aveva sempre avuto ragione.
Le scoperte di Galileo innescarono una rivoluzione del pensiero dell’epoca che avrebbe finito per allentare la morsa della religione sulla scienza.
Ma, nel XVII ° secolo, gli causarono non pochi problemi con la Chiesa. Galileo riuscì a sottrarsi alla pena capitale, abiurando la sua cosiddetta “eresia” e fu confinato agli arresti domiciliari per gli ultimi 9 anni della sua vita.
Secondo la leggenda, dopo aver ammesso il suo “peccato”, avrebbe mormorato: “Eppur si muove!”.
Nei 300 anni successivi, man mano che le leggi della natura venivano scoperte, la scienza cominciò a spiegare fenomeni di ogni tipo, dai fulmini alle tempeste, ai terremoti, o che cosa fa brillare le stelle. Ogni nuova scoperta minava sempre di più la necessità dell’esistenza di un Dio. Dopotutto, quando si conosce la spiegazione scientifica di un’eclissi, è difficile continuare a credere ad un Dio Lupo che vive nei cieli.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
La scienza non nega la religione, si limita ad offrire un’alternativa più semplice. Ma numerosi misteri resistono. Dopotutto, se la terra gira, non potrebbe essere Dio a muoverla? E, soprattutto, fu Dio a creare l’universo all’inizio dei tempi?
Nel 1985, partecipai ad un congresso di cosmologia in Vaticano. La nostra assemblea di scienziati fu ricevuta in udienza da Papa Giovanni Paolo II.
Ci disse che andava bene studiare il funzionamento dell’universo, ma non ci saremmo dovuti interrogare sulla sua origine, perché quella era opera di Dio.
Sono felice di dire che, per quanto mi riguarda, non ho seguito il suo consiglio. Non riesco proprio a spegnere la mia curiosità. Credo sia dovere di un cosmologo tentare di comprendere l’origine dell’universo.
Per fortuna, non è così difficile come sembra.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Nonostante la complessità e la varietà dell’universo, per crearlo bastano solo 3 ingredienti. Immaginiamo di poterli elencare in una sorta di ricettario cosmico (Cosmic Cookbook).
Dunque, quali sono i 3 ingredienti che ci servono per preparare un universo?
Il primo è la MATERIA: tutto ciò che possiede una massa. La materia è tutta intorno a noi, nella terra, sotto i nostri piedi, nello spazio: polvere, roccia, ghiaccio, liquidi, vaste nubi gassose, enormi spirali di stelle, ciascuna contenente miliardi di soli e che si estendono a distanze incredibili.
Il secondo ingrediente è l’ENERGIA. Anche se non ci abbiamo mai pensato, sappiamo tutti cos’è l’energia. È qualcosa che incontriamo ogni giorno. Alzate gli occhi al sole e la sentirete sul viso: energia prodotta da una stella a 150 milioni di Km di distanza. L’energia pervade l’universo, animando i processi che lo rendono un’entità dinamica in continua evoluzione.
Dunque abbiamo la materia ed abbiamo l’energia.
La terza cosa che ci serve per costruire l’universo è lo SPAZIO. Tanto spazio. Si possono dire tante cose dell’universo, che è schiacciante, splendido, violento, ma una cosa che proprio non si può dire è che sia angusto.
Ovunque noi guardiamo, vediamo dello spazio, altro spazio, e ancora altro spazio, a perdita d’occhio, in tutte le direzioni, da far girare la testa a chiunque.
Da dove sono venuti tutta questa energia, questa materia e questo spazio?
Non ne avevamo idea fino  alla metà del XX° secolo.
La risposta è venuta dalle intuizioni di un solo uomo, probabilmente lo scienziato più straordinario che sia mai esistito. Il suo nome era Albert Einstein.
Purtroppo non ho avuto occasione di conoscerlo, perché avevo 13 anni quando è morto. Einstein comprese una cosa piuttosto incredibile: che due degli ingredienti necessari per fare l’universo, la massa e l’energia sono, fondamentalmente, la stessa cosa: due facce della stessa medaglia, se preferite. E la sua famosa equazione:  E=mc² (dove E = Energia, m = massa , c = velocità della luce) significa semplicemente che la massa può essere pensata come una forma di energia e viceversa.
Quindi, invece di 3 ingredienti, ora possiamo dire che l’universo ne ha solo 2:
l’energia e lo spazio.
Dunque, da dove sono venuti tutta questa energia e tutto questo spazio?
Gli scienziati arrivarono alla risposta dopo decenni di lavoro: spazio ed energia si crearono spontaneamente in un evento che oggi chiamiamo:
il BIG BANG (la GRANDE ESPLOSIONE).
Al momento del BIG BANG, nacque un intero universo pieno di energia e, con esso, lo spazio si espanse proprio come un pallone quando viene gonfiato.
Da dove sono venuti, quindi, questa energia e questo spazio? Come possono un intero universo pieno di energia e la schiacciante vastità dello spazio, con tutto ciò che essa racchiude, emergere dal nulla?
Per alcuni, è qui che rientra in gioco la figura di Dio. Fu Dio a creare l’energia e lo spazio: il BIG BANG fu il momento della creazione.
Ma la scienza racconta una storia diversa.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
A mio rischio e pericolo, dico che oggi comprendiamo moto meglio i fenomeni naturali che terrorizzavano i Vichinghi: possiamo persino andare oltre la magnifica simmetria di materia ed energia scoperta da Einstein. Possiamo usare le leggi della natura per comprendere l’origine stessa dell’universo e scoprire se l’esistenza di Dio sia l’unico modo per spiegarla.
Sono cresciuto nell’Inghilterra del secondo dopoguerra e in un clima di austerità. Ci hanno insegnato che nessuno ti dà niente per niente. Ma ora, dopo una vita di lavoro, credo che, in realtà, si possa ricevere un intero universo gratis.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Il grande mistero al cuore del BIG BANG, spiega come un intero universo di spazio ed energia, fantasticamente enorme, possa materializzarsi dal nulla.
Il segreto risiede in uno dei fatti più strani del nostro cosmo. Le leggi della fisica richiedono l’esistenza della, cosiddetta, “ENERGIA NEGATIVA”.
Per farvi comprendere questo concetto, astruso ma cruciale, ricorrerò ad una semplice analogia.
Immaginate  che un uomo voglia innalzare una collina su un terreno pianeggiante. La collina rappresenta l’universo. Per raggiungere il suo scopo, l’uomo scava una fossa e usa il terreno ricavato dallo scavo, per realizzare la sua collina. Ma, naturalmente, non sta facendo solo una collina, sta anche facendo un buco. Di fatto, una versione negativa della collina. Ciò che prima stava nel buco, ora è diventato la collina e il tutto si bilancia perfettamente.
Questo è il principio alla base di ciò che accadde alla nascita dell’universo.
Quando il BIG BANG produsse un’enorme quantità di energia positiva, produsse, simultaneamente, la stessa quantità di energia negativa.
In questo modo la somma delle quantità positive e negative dà zero. Sempre.
È un’altra legge della natura. Ma dov’è tutta questa energia negativa, oggi?
Nel terzo ingrediente dell nostra ricetta cosmica. È nello spazio.
Potrà sembrare strano, ma, secondo le leggi della natura, relative a moto e gravità, leggi che sono tra le più antiche nella storia della scienza, lo spazio stesso è un’enorme riserva di energia negativa, abbastanza grande da far sì che la somma del tutto dia zero.
Ammetto che, a meno che la matematica non sia il vostro forte, questo è un concetto difficile da afferrare, ma è la verità.
L’infinita rete di miliardi e miliardi di galassie, tutte legate reciprocamente dalla forza di gravità, funziona come un gigantesco dispositivo di immagazzinamento. L’universo è come un’enorme batteria: un deposito di energia negativa. Il contenuto positivo, la massa e l’energia che vediamo oggi, è come la collina. Il buco corrispondente, il contenuto negativo, è disperso per tutto lo spazio.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
Ma questo cosa comporta per la nostra ricerca sull’esistenza di Dio?
Comporta che, se la somma di tutto ciò che contiene l’universo è zero, NON È NECESSARIO UN DIO PER CREARLO e smentisce che non si possa avere niente per niente.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Ora che sappiamo che la somma dei contenuti positivi e negativi, presenti nell’universo, è uguale a zero, dobbiamo solo comprendere che cosa, od oserei dire CHI, ha innescato l’intero processo.
Che cosa potrebbe causare la spontanea comparsa di un universo?
All’inizio il problema può sembrare sconcertante. Dopotutto, nella vita quotidiana, non vediamo le cose materializzarsi dal nulla. Non possiamo schioccare le dita e far apparire una tazzina di caffè, quando ne abbiamo voglia, dico bene? Contiene diversi elementi, come chicchi di caffè, acqua, forse un po’ di latte e di zucchero. Ma, se ci tuffiamo in questa tazzina di caffè, oltre le particelle di latte, a livello atomico , e oltre, fino a livello subatomico, entreremo in un mondo in cui far apparire qualcosa dal nulla è possibile, almeno per un po’.
La ragione è che, a questo livello, le particelle come i protoni, si comportano come le leggi della natura, che chiamiamo “MECCANICA QUANTISTICA” e possono davvero apparire in maniera casuale, restare per un po’ e, poi, tornare a sparire. Per riapparire da qualche altra parte.
Sappiamo che l’universo stesso, un tempo, era molto piccolo, più piccolo di un protone, e questo significa qualcosa di straordinario.
Significa che l’universo stesso, in tutta la sua sbalorditiva complessità e vastità, può essere semplicemente comparso, senza violare nessuna delle leggi della natura a noi note.
Da quel momento in poi, si sprigionarono enormi quantità di energia, mentre lo spazio si espandeva, come un luogo per immagazzinare tutta l’energia negativa necessaria e per mantenere l’equilibrio globale.
Ma, naturalmente la domanda fondamentale si ripropone: fu Dio a creare le “leggi quantistiche” che permisero il verificarsi del BIG BANG?

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
In poche parole, abbiamo bisogno di un Dio che ha dato il via al tutto, perché il BIG BANG potesse esplodere?
Non desidero offendere nessun credente, ma credo che la scienza offra una spiegazione più convincente di quella di un creatore divino.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Questa spiegazione è resa possibile da qualcosa di strano, nel principio di causa ed effetto. L’esperienza quotidiana ci porta a credere che tutto ciò che accade debba essere causato da qualcos’altro successo in un tempo precedente. Quindi, ci viene naturale presumere che qualcosa, forse Dio, debba aver causato la nascita dell’universo.
Ma, se consideriamo l’universo nel suo insieme, non è necessariamente così.
Mi spiego meglio.
Immaginate un fiume che scorre sul fianco di una montagna. Che cosa ha originato quel fiume? Beh, forse la pioggia. La pioggia che è caduta, in precedenza, sulle montagne. Ma, allora, che cosa ha originato la pioggia? Una buona risposta sarebbe: il sole. Il sole che, risplendendo sul mare, ha fatto salire il vapore acqueo nel cielo, formando le nubi. OK. Allora, cos’ha originato i raggi del sole? Beh, se potessimo guardare dentro, nel sole, vedremmo un processo chiamato “fusione” in cui gli atomi di Idrogeno si uniscono portando alla formazione di Elio e rilasciando enormi quantità di energia. Fin qui, tutto bene.
Ma, l’Idrogeno da dove viene? La risposta?
Dal BIG BANG.
Ed ecco il punto chiave. Le stesse leggi della natura ci dicono che, non solo l’universo può essere apparso spontaneamente, come un protone, senza richiedere nessuna energia, ma anche che è possibile che nulla abbia causato il BIG BANG. NULLA!
Questa spiegazione ci riporta alla teoria di Einstein e alle sue intuizioni su come SPAZIO E TEMPO, nell’universo, siano intimamente legati.
Accadde qualcosa di veramente straordinario al momento del BIG BANG:  il TEMPO stesso ebbe inizio.
Per comprendere questa idea sconcertante, pensate a un buco nero che fluttua nello spazio. Un buco nero è una stella così massiccia da essere collassata su se stessa. La sua gravità è così intensa da non lasciar sfuggire neppure la luce. Il che spiega perché esso sia , quasi perfettamente, nero. Il suo campo gravitazionale è così potente da deformare e distorcere non solo la luce ma anche il tempo.
Per capire in che modo, immaginate un orologio che viene risucchiato verso il buco nero. Man mano che si avvicina al buco nero, esso va sempre più lento, e più lento, e ancora più lento. Il tempo stesso comincia a rallentare. Ora, immaginate l’orologio mentre entra nel buco nero. Beh, ammettendo che possa resistere alle estreme forze gravitazionali, l’orologio, di fatto, si fermerebbe. E non  lo farebbe per la rottura del meccanismo interno, ma perché, all’interno del buco nero, IL TEMPO NON ESISTE.
E questo è esattamente ciò che accadde all’inizio dell’universo.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
Il ruolo svolto dal tempo, all’inizio dell’universo, è. a mio parere, decisivo per cancellare la necessità di un grande creatore e rivelare come L’ UNIVERSO CREÒ  SE  STESSO.

VOCE  DEL  NARRATORE:
Man mano che viaggiamo indietro nel tempo, verso il momento del BIG BANG, l’universo si fa sempre più piccolo, più piccolo e ancora più piccolo, fino ad arrivare ad un punto, in cui è racchiuso in uno spazio così minimo da essere, in effetti, un unico, infinitesimamente piccolo, infinitesimamente denso BUCO NERO. E, proprio come accade con i buchi neri che fluttuano nello spazio, le leggi della natura impongono un fenomeno piuttosto straordinario: ci dicono che, anche in questo caso, il tempo stesso deve arrivare ad un punto fermo. Non si può arrivare ad un tempo prima del BIG BANG.
Perché non c’è un “prima ” del BIG BANG.
Abbiamo, finalmente, trovato qualcosa che non ha una causa, PERCHÈ  NON VI  ERA  UN  TEMPO  IN  CUI  QUELLA  CAUSA  POTESSE  ESISTERE.
Per me, questo significa che non c’è spazio per un “creatore”, perché non c’è un tempo in cui quel “creatore” potesse esistere.
Poiché il tempo stesso ebbe inizio al momento del BIG BANG, questo fu un evento che non avrebbe potuto essere causato o creato da niente o da nessuno.
Così la scienza ci ha dato la risposta alla domanda che ci eravamo posti, una risposta che ha richiesto più di 3000 anni di impegno umano.
Abbiamo scoperto in che modo le leggi della natura, che regnano sulla massa e sull’energia dell’universo, abbiano dato vita ad un processo che avrebbe portato fino a noi, che ce ne stiamo qui, su questo pianeta, piuttosto soddisfatti di aver risolto l’enigma.
Così, quando la gente mi chiede se fu Dio a creare l’universo, rispondo che la domanda, in sé, non ha senso.
Il tempo non esisteva prima del BIG BANG, quindi non c’era un tempo in cui Dio potesse creare l’universo. È come chiedere indicazioni stradali per il confine della terra: la terra è una sfera, non ha i bordi di una tavola, dunque cercarli sarebbe assolutamente inutile.

VOCE  DI  STEPHEN  HAWKING:
Ciascuno di noi è libero di credere ciò che vuole. Dal mio punto di vista, la spiegazione più semplice è che non ci sia alcun Dio. Nessuno ha creato l’universo e nessuno decide il nostro destino. Questo mi porta ad una rivelazione profonda: probabilmente non esiste un paradiso, né una vita ultraterrena. Abbiamo solo questa vita per apprezzare il grande disegno dell’universo.
Ed io, di questa vita, sono estremamente grato.

 

P.S.   Grazie a Rita, che mi ha aiutato in questa lunga trascrizione.

 

Numero1851.

Posted on by

COME  COMUNICAVA  STEPHEN  HAWKING ?

Stephen Hawking, nel corso della sua lunga carriera, ci ha svelato parecchi segreti sulla storia e sulle dinamiche dell’Universo. Da una decina d’anni, però, riesce a controllare solo un muscolo della guancia: grazie ad un sofisticato sistema progettato dalla Intel,  il grande scienziato britannico comunica con l’esterno, e scrive tutte le sue pubblicazioni, solo tramite i movimenti di tale muscolo. Negli ultimi anni, però, la sua malattia del moto-neurone, pur progredendo molto lentamente rispetto ad altre malattie analoghe, gli ha reso più difficili anche i movimenti di tale muscolo, e di conseguenza anche l’utilizzo del software della Intel. Ma Hawking ancora una volta non si è dato per vinto e si è munito di una tecnologia ancora più avanzata: il software della Intel è stato integrato con l’interessantissima tecnologia SwiftKey, in grado di prevedere le parole che il professor Hawking ha intenzione di scrivere. A volte, come spiegheremo, le parole compaiono prima ancora che il Professore inizi a digitarle!! Grazie a tale tecnologia, lo scienziato riesce a scrivere a velocità doppia, e, come ha dichiarato il professor James Osborne, il capo del progetto, “ha più tempo per pensare ai segreti dell’Universo”.

Parole predette in base al contesto

La tecnologia Swiftkey è molto più avanzata delle normali funzioni di completamento automatico delle parole che sono presenti ormai su ogni telefonino. Sullo stesso sito della Swiftkey, sezione blog, è spiegato in dettaglio come funziona il nuovo sistema impiegato da Hawking per comunicare. Esso ha in memoria molte pubblicazioni dello scienziato; sulla base delle parole contenute in tali pubblicazioni, e dell’argomento che Hawking sta trattando in quel momento, esso fa delle previsioni sulle parole che ogni volta Hawking si accinge a digitare, dandogli la possibilità di completarle con un solo ulteriore “click”, che nel suo caso corrisponde ad un movimento del muscolo. Facciamo un esempio: poniamo che Hawking stia scrivendo un trattato di cosmologia, e abbia appena scritto la parola “black“. Se la successiva parola che Hawking intende digitare inizia con “h” ci sono grandi probabilità che essa sia “hole” oppure “holes” (“black hole” = “buco nero”).

swiftkey

“SwiftKey legge il mio …” blog, pensiero oppure libro?

 

Nella figura sopra, un esempio effettivo del funzionamento della tastiera: come si vede, il programma a volte fa delle previsioni addirittura prima che l’utente inizi a digitare la parola successiva, solo sulla base del contesto.

Hawking “parla” con accento americano

Il Professor Hawking, e non c’era assolutamente motivo di dubitarne, non fa mai errori di ortografia, al limite ogni tanto compie qualche errore di battitura; sul sito della Swiftkey si legge “Abbiamo scoperto che la natura degli errori del Professor Hawking è fondamentalmente differente da quella degli errori compiuti dall’utente medio degli smartphone. Uno dei profili più comuni è quello dell’utente che digita testi e tweet in maniera veloce e disattenta”. Un’altra curiosità è che lo scienziato ha voluto che il sintetizzatore vocale che gli consente di “parlare”, fosse impostato con un accento nord-americano, e non con l’accento “british” che si usa in Inghilterra, dove Hawking vive.

Dare voce a chi non ce l’ha

Nei primi mesi del 2015, il software utilizzato da Hawking verrà messo sul mercato, ovviamente con la possibilità di personalizzarlo per i singoli utenti: sicuramente, un ottimo strumento per dare voce a chi ne è naturalmente sprovvisto e per far scrivere chi non può fare uso delle mani, purtroppo in casi come quello di Hawking le due condizioni coesistono. Lo scienziato britannico, che ha perso del tutto la capacità di parlare nel 1985 e anche nei trent’anni successivi ha continuato a svolgere la sua attività di scienziato arrivando a scoperte sensazionali, costituisce un esempio per molti disabili del linguaggio.

Pur parlando e scrivendo con il solo uso della guancia, Hawking negli ultimi anni ha continuato a dare importantissimi contributi alla teoria dei buchi neri

Pur parlando e scrivendo con il solo uso della guancia, Hawking negli ultimi anni ha continuato a dare importantissimi contributi alla teoria dei buchi neri

E’ da osservare, però, che il sistema ideato dalla Swiftkey può essere utile anche a chi non ha nessun problema fisico, o magari a chi ha problemi lievi. Se esso mette un disabile grave nelle condizioni di dattilografare a velocità normale, esso può consentire ad un normodotato, oppure ad un disabile lieve, di dattilografare a velocità molto elevata, aumentandone notevolmente la produttività.