Una delle frontiere tecnologiche più complesse e affascinanti di oggi è il quantum computing, l’informatica che sfrutta le leggi della teoria quantistica e la sua ancora breve storia, per risolvere problemi di calcolo estremamente complessi. La meccanica dei quanti è una rivoluzione che ha poco più di un secolo: l’avventura che gli ha dato origine è cominciata ufficialmente nel 1925 con Bohr, Heisenberg e Schrödinger.
Dal 14 dicembre 1900, con l’ipotesi quantistica presentata da Max Planck alla Deutsche Physikalische Gesellschaft di Berlino fino agli esperimenti di John Clauser e Alain Aspect che ne hanno confermato la validità negli anni Settanta e Ottanta, la meccanica quantistica è il risultato di un percorso intellettuale, scientifico e filosofico durato oltre cent’anni. Un cammino fatto di intuizioni uniche, dibattiti accesi e protagonisti straordinari.
In questo articolo:
- Teoria quantistica, breve storia di una fisica che “nessuno capisce”
- La nascita dell’avventura che ha riscritto la realtà: l’idea di Max Planck
- Lo sviluppo con l’effetto fotoelettrico: l’impatto di Albert Einstein
- La formalizzazione con l’inizio ufficiale: Bohr, Heisenberg e Schrödinger
- La meccanica quantistica oggi: il traino del nostro futuro
Teoria quantistica, breve storia di una fisica che “nessuno capisce”
La citazione è del fisico statunitense Richard Feynman, premio Nobel nel 1965. “Penso di poter tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica” e “se credete di aver capito la teoria dei quanti, vuol dire che non l’avete capita”, diceva il pioniere dell’elettrodinamica quantistica. “Più la teoria dei quanti ha successo, più sembra una sciocchezza”, sosteneva invece lo scienziato più famoso di sempre: Albert Einstein.
Proprio Einstein affermava che “Dio non gioca a dadi con l’universo”, scettico dinanzi alla natura probabilistica della meccanica quantistica. Al contrario l’umanità ha imparato questo gioco in poco tempo. Davanti a una storia breve ma così intensa, ecco la breve storia di un’impresa che arriva fino a oggi e che in futuro cambierà radicalmente il modo in cui affrontiamo le sfide dell’economia e della scienza.
La nascita dell’avventura che ha riscritto la realtà: l’idea di Max Planck
La data chiave è il 14 dicembre 1900. Il fisico teorico Max Planck è ricevuto alla Deutsche Physikalische Gesellschaft per presentare una strana teoria che gli varrà il Nobel nel 1918: gli atomi assorbono ed emettono radiazioni elettromagnetiche in forma discontinua. L’energia non è come un fiume che scorre, ma viene scambiata in pacchetti discreti, sotto forma di granuli indivisibili che definisce appunto “quanti”.
Planck era alle prese con un problema chiamato la “catastrofe ultravioletta”, ossia l’assurdo teorico che emergeva dalla ricerca di voler descrivere la radiazione emessa da un corpo riscaldato, il cosiddetto “corpo nero”. La sua formula riuscì dove fallivano le teorie fisiche sviluppate fino a quel momento: la meccanica, l’elettromagnetismo, la termodinamica. Un “atto di disperazione” che segnò l’inizio di una nuova era.
Lo sviluppo con l’effetto fotoelettrico: l’impatto di Albert Einstein
Nonostante fosse contraria alla sua idea di Dio, Einstein aiutò a fondare la meccanica quantistica nel 1905, quando ne estese il concetto dei quanti spiegando l’effetto fotoelettrico. All’epoca, il futuro premio Nobel aveva appena 26 anni ed era soltanto un giovane impiegato dell’ufficio brevetti di Berna, ma già studiava in maniera approfondita fenomeni quali l’emissione di elettroni da un metallo colpito dalla luce.
Portando alle estreme conseguenze la teoria di Planck, Einstein propose per primo l’idea che la luce, indipendentemente dal fatto che interagisca con la materia, è composta da corpuscoli che oggi chiamiamo fotoni. Pur essendo la particella più piccola che possiamo concepire, ogni fotone trasporta una quantità di energia legata alla sua lunghezza d’onda. Teorizzare i pacchetti di luce si rivelò particolarmente innovativo.
Per diversi anni l’idea dell’effetto fotoelettrico venne trattata con scetticismo. Ma fu proprio partendo da questa teoria e dai dati sugli spettri di emissione degli atomi che arrivarono qualche tempo dopo, che vennero gettate le basi per il passo successivo. Anzi: quando Einstein ricevette il Nobel nel 1921 non fu per la famosa teoria della relatività, ma per la scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico.
La formalizzazione con l’inizio ufficiale: Bohr, Heisenberg e Schrödinger
Figlio di fisiologo e fratello di matematico, Niels Bohr è considerato uno degli architetti principali della meccanica quantistica. Vincitore del Nobel nel 1922 per i suoi contributi alla comprensione della struttura atomica, il fisico danese è famoso proprio per il suo modello atomico. All’inizio del Novecento, l’atomo era considerato come un sistema solare in miniatura, con gli elettroni che orbitano attorno a un nucleo.
Secondo le leggi classiche, un elettrone in movimento avrebbe dovuto perdere energia e precipitare a spirale sul nucleo in una frazione di secondo. Bohr cambiò il paradigma e introdusse l’idea degli elettroni che orbitano intorno al nucleo in livelli energetici distinti. Nella sua teoria della complementarità, le proprietà della luce e della materia possono essere descritte sia come onde che come particelle, ma non simultaneamente.
Nel 1913, Bohr postulò che gli elettroni possono occupare solo determinate orbite stabili attorno al nucleo e che passano da un’orbita all’altra soltanto assorbendo oppure emettendo un fotone, cioè un quanto di luce. Il modello a orbite quantizzate divenne il punto di riferimento per i fisici teorici successivi e nonostante le critiche ricevute, pose le basi fondamentali per lo sviluppo della meccanica quantistica.
Negli anni Venti furono due giovani fisici europei a far entrare la teoria dei quanti nella sua fase matura e riconosciuta. Il primo fu il tedesco Werner Heisenberg, che nel 1925 elaborò la meccanica delle matrici: riuscì a descrivere il comportamento degli elettroni negli atomi basandosi esclusivamente su dati osservabili e misurabili, come le frequenze e le intensità delle righe spettrali.
Il secondo fu l’austriaco Erwin Schrödinger, noto per il paradosso del gatto. Ispirato dall’idea del collega de Broglie che le particelle hanno una doppia natura e si comportano anche come onde, diede vita nel 1926 alla meccanica ondulatoria: a ogni particella è associata una funzione d’onda caratterizzata da un’evoluzione temporale continua. Nel 1933 l’equazione con il suo nome gli valse il Nobel per la fisica.
L’equazione di Schrödinger, il pilastro della meccanica quantistica, si fonda sul principio di indeterminazione: non è possibile conoscere con precisione assoluta, allo stesso tempo, la posizione e la velocità di una particella. Il mondo, su scala atomica, è governato dalla probabilità, non da leggi deterministiche. È l’origine del paradosso del gatto che illustra la sovrapposizione degli stati e del cosiddetto entanglement.
La meccanica quantistica oggi: il traino del nostro futuro
A partire dagli anni Sessanta, gli esperimenti condotti da personalità del calibro di John Stewart Bell, John Clauser e Alain Aspect hanno dimostrato che la natura è intrinsecamente probabilistica. È così che oggi la fisica quantistica non è più un mondo misterioso per pochi iniziati, ma una teoria che funziona e che contribuisce a tecnologie fondamentali come i semiconduttori nei computer.
Si parla di tecnologie quantistiche a proposito di tutte quelle innovazioni che si fondano sullo sfruttamento delle proprietà quantiche della materia. L’arrivo del quantum computing promette di spostare l’asticella ancora più avanti. I calcolatori del futuro, sfruttando fenomeni come l’entanglement e la sovrapposizione degli stati, saranno in grado di eseguire calcoli ora impensabili e decisivi per la finanza, l’industria, le comunicazioni, la sicurezza, l’energia, l’automotive.
Dal 2026 l’ecosistema delle aziende, le pubbliche amministrazioni e le comunità sono chiamate a confrontarsi non solo con le sfide dell’intelligenza artificiale, ma anche con gli sviluppi del quantum computing. L’Italia occupa un posto di primo piano nello sviluppo dei computer quantistici, “ma la scienza dovrà trovare l’appoggio dell’industria”, coma ha dichiarato Marco Aldinucci dell’Hpc4Ai dell’Università di Torino in un’intervista all’Istituto nazionale di fisica nucleare.
