"La quantistica è la teoria del tutto"

Vincenzo Savona, professore presso il Laboratorio di Fisica Teorica dei Nanosistemi dell’EPFL, si è avvicinato al mondo della fisica quantistica perché voleva capire il funzionamento dei semiconduttori e insegna agli studenti da oltre 20 anni.

Come si conciliano la fisica quantistica e la fisica classica nel suo insegnamento?

Mi piace sottolineare che la fisica classica è una branca della fisica quantistica, non il contrario. La teoria quantistica è stata elaborata esattamente 100 anni fa e sappiamo che è in grado di spiegare tutto ciò che riguarda la nostra vita quotidiana. Le equazioni che descrivono il nostro ambiente sono state scritte nel 1925 e rimangono perfettamente valide anche oggi.

Perché allora si insegna ancora la fisica classica?

Per una ragione essenzialmente pratica: la fisica classica è ancora perfettamente adatta a descrivere moltissimi fenomeni, a eseguire calcoli e simulazioni ingegneristiche e a spiegare un numero enorme di cose. Inoltre, le sue equazioni hanno il vantaggio di essere più facili da trattare rispetto alle equazioni della fisica quantistica, motivo per cui possiamo accontentarci di esse per molte applicazioni. Ma già nel 1900 Max Planck ipotizzò che la teoria quantistica potesse spiegare anche cose che sfuggivano alle teorie di Newton e Maxwell. Per 25 anni, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ed Erwin Schrödinger lavorarono su questa ipotesi, sviluppando le equazioni che sono considerate la base della fisica quantistica teorica.

Questo per quanto riguarda la storia... Ma un secolo dopo, i teorici della quantistica come voi hanno ancora molto lavoro da fare!

Non si può negare. Ed è proprio questo il bello della fisica quantistica: sappiamo che può spiegare tutto - è la teoria di tutto ciò che riguarda la materia e la luce. Ci fornisce una cassetta degli attrezzi molto più grande di quella della fisica classica, ma non abbiamo ancora una padronanza completa di ciascuno di questi strumenti. Ci sono fenomeni che sappiamo essere spiegabili con la fisica quantistica, ma le equazioni giuste non sono ancora state trovate.

Per esempio?

Una delle più grandi sfide che i fisici dovranno affrontare sarà quella di arrivare a una teoria che unisca la fisica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein che descrive il fenomeno della gravitazione. Abbiamo fatto molti progressi, ma non siamo ancora riusciti a sviluppare una teoria unificata. Un altro esempio, molto più vicino alla nostra vita quotidiana, è il meccanismo che sta alla base della superconduttività ad alta temperatura, che ancora non comprendiamo appieno ma che utilizziamo per molte applicazioni come la risonanza magnetica, tra le altre.

Quindi la fisica quantistica non riguarda solo l’infinitamente piccolo?

Tendiamo a pensare che si applichi solo ad atomi, elettroni e fotoni, ma non è così. Sappiamo, ad esempio, che la materia può essere stabile solo grazie alle leggi della fisica quantistica. Secondo la fisica classica, un elettrone che gira intorno al suo atomo perderebbe energia e si schianterebbe contro l’atomo in un nanosecondo, causando un collasso totale della materia. Solo la fisica quantistica può spiegare perché questo non avviene. Su una scala ancora più ampia, nelle instabilità del fondo cosmico a microonde, possiamo misurare i segni di una manifestazione quantistica nata durante il Big Bang.

Al di là della pura teoria, quali sono le applicazioni della ricerca sulla fisica quantistica?

Le applicazioni sono molte. Quelle maggiormente sviluppate all’EPFL sono l’informatica quantistica, la comunicazione, la simulazione e la rilevazione (sensing ).

Nonostante la sua complessità, questo campo attrae molti giovani?

Sì, devo ammettere che il mio Master in informatica quantistica è un grande successo. Riceviamo un gran numero di domande per progetti di master in questo campo. Fortunatamente, il Centro per la scienza e l’ingegneria quantistica (QSE Center) dell’EPFL ci permette di accedere a numerosi partner, comprese le aziende, in modo da poterle soddisfare.

Raggiungere la padronanza dell’informatica quantistica è ambizioso quanto la conquista della Luna.

Vincenzo Savona, professore presso il Laboratorio di fisica teorica dei nanosistemi dell’EPFL

L’EPFL si distingue in questo campo?

Sì, chiaramente. È un’area prioritaria da almeno 10 anni e da allora sono stati nominati una dozzina di nuovi professori. La creazione del Centro QSE nel 2021 è stata una pietra miliare e il lancio, l’anno successivo, di un nuovo programma di Master in scienza e ingegneria quantistica è stato un successo immediato. Inoltre, l’Advanced Science Building, di prossima costruzione, offrirà agli scienziati l’opportunità di utilizzare apparecchiature ad altissime prestazioni, che ci daranno notevoli vantaggi in futuro. Tutto ciò significa che la Scuola - e la Svizzera in generale - è molto ben posizionata a livello internazionale nelle aree di applicazione sopra menzionate. Stiamo anche sviluppando fortemente la ricerca sugli algoritmi quantistici, un campo di notevole portata.

Non è un po’ strano che stiamo creando algoritmi prima di avere macchine?

Paragono la ricerca sull’informatica e il calcolo quantistico al lavoro pionieristico nello sviluppo dell’elettronica negli anni ’40, e si può vedere come si è evoluta in pochi decenni. Anche lo sviluppo dei computer quantistici procede alla velocità della luce. Oggi sono in corso diversi approcci paralleli, numerosi prototipi e non sappiamo ancora quale tecnologia avrà la meglio. Sappiamo però che dobbiamo lavorare su alcune sfide, come la correzione degli errori quantistici e lo sviluppo di software specifici per il funzionamento dei computer quantistici, per poterli mettere alla prova.

A cosa serviranno questi computer?

Non si tratta solo di costruire macchine più veloci di quelle attuali: stiamo parlando di un cambiamento di paradigma nell’elaborazione delle informazioni. Un gran numero di compiti informatici utili non potrà mai essere svolto con le architetture dei computer tradizionali, perché ciò richiederebbe risorse e tempi di elaborazione che aumentano esponenzialmente con le dimensioni del compito da risolvere. I computer quantistici saranno in grado di gestire alcuni di questi compiti in modo molto più efficiente. L’approccio quantistico è perfettamente adatto, ad esempio, alla simulazione digitale della materia. È anche più efficiente per i calcoli di ottimizzazione, perché può elaborare molte più informazioni in parallelo. È in fase di sviluppo anche l’apprendimento automatico quantistico, in particolare da parte di Zoë Holmes dell’EPFL, che potrebbe portare a progressi ancora maggiori nell’intelligenza artificiale.

I due approcci - AI e informatica quantistica - sono in competizione?

No. Si evolvono in parallelo e si alimentano a vicenda, portando a notevoli progressi. Per esempio, gli ingegneri stanno usando l’intelligenza artificiale per migliorare la progettazione dei computer quantistici.

Perché hanno forme così sorprendenti?

Per funzionare, i chip quantistici devono essere raffreddati a una temperatura vicina allo zero assoluto (-273,15°C) in speciali frigoriferi. Le informazioni vengono trasmesse tra l’esterno e l’interno di questi frigoriferi utilizzando le microonde, e questi tubi caratteristici sono in realtà guide a microonde. Ma il mio collega Tobias Kippenberg sta cercando di sviluppare trasduttori che funzionino all’interno del "frigorifero" e che permettano di utilizzare fibre ottiche fino al cuore del sistema. Se ci riuscirà, sarà un enorme salto tecnologico.

Quando vedremo le prime applicazioni su larga scala?

Chiunque indichi una data non deve essere preso sul serio. Si tratta di un progetto globale e altamente collaborativo, a mio avviso paragonabile alla conquista della Luna! Conosciamo il potenziale dell’approccio quantistico, quindi abbiamo il dovere morale di provare a svilupparlo. Sappiamo che ci saranno molti fallimenti, molte strade da abbandonare, ma che impareremo molto da esse. Credo che si possa fare una scommessa alla Pascal sulla fisica quantistica: non si ha nulla da perdere a crederci, quindi bisogna fare tutto il possibile per realizzarla.

Cybersecurity: "Non siamo condannati al disastro "

La scienza quantistica è una minaccia per la sicurezza dei dati?

Ogni pochi mesi, un’ondata di titoli sulla stampa lancia l’allarme. Si dice che l’informatica quantistica sia sul punto di spazzare via la nostra sicurezza digitale; entro tre, cinque o addirittura dieci anni, le macchine quantistiche saranno presumibilmente abbastanza potenti da rompere i pilastri crittografici di Internet. In altre parole, tutto, dai messaggi di WhatsApp alle transazioni con la carta di credito, potrebbe essere reso pubblico.

Al centro di queste preoccupazioni c’è la crittografia a chiave pubblica RSA. Si tratta di un sistema ampiamente diffuso. I suoi principi si basano sulla difficoltà di fattorizzare grandi numeri interi, un compito considerato fuori dalla portata dei computer convenzionali. Ma il brillante algoritmo quantistico di Shor può teoricamente fattorizzare questi numeri in modo esponenzialmente più veloce di qualsiasi altro metodo convenzionale. Potrebbe, infatti, rendere obsoleto il sistema RSA.

Dobbiamo quindi farci prendere dal panico?

Non credo. In primo luogo, la comunità crittografica si sta preparando da anni. Gli scienziati hanno sviluppato un’intera generazione di algoritmi crittografici cosiddetti "post-quantistici", che si basano su problemi matematici che nemmeno i computer quantistici potrebbero risolvere. Alcuni di questi algoritmi sono già stati definiti come standard negli Stati Uniti dal National Institute of Standards and Technology (NIST). Se dovesse arrivare il momento della verità, la sostituzione dei sistemi RSA con alternative post-quantistiche non dovrebbe richiedere, nella maggior parte dei casi, più di un aggiornamento del software.

In secondo luogo, il tipo di computer quantistico necessario per violare il sistema RSA è ancora una questione di teoria. Si stima che per farlo sarebbe necessario un milione di qubit di alta qualità che lavorano in perfetta armonia. I dispositivi attuali non si avvicinano nemmeno lontanamente a questa scala. Raggiungere tale uniformità e controllo rappresenta una delle maggiori sfide tecniche del settore.

Infine, anche se una macchina del genere dovesse vedere la luce, rimane un ultimo ostacolo: risolvere un arduo problema di fattorizzazione non è la stessa cosa che risolvere il problema RSA. I numeri RSA sono stati progettati appositamente per essere i più difficili da decifrare, anche per gli algoritmi quantistici.

Quindi no, non siamo condannati al disastro. Non ancora, e probabilmente non a breve. Il mondo della crittografia si sta evolvendo e l’informatica quantistica, per quanto promessa, non è una forza implacabile, almeno non ora. Per ora dormo bene, e dovreste farlo anche voi.

Riferimenti

Questo articolo è stato pubblicato nel numero di settembre 2025 della rivista Dimensions, che mette in luce l’eccellenza dell’EPFL attraverso approfondimenti, interviste, ritratti e notizie. La rivista è distribuita gratuitamente nei campus dell’EPFL.