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Nuove avventure per la fisica quantistica: dai filamenti del DNA ai satelliti nello spazio

Scritto da Annalisa Arci il 04.03.2013

Questo mese la rivista Physics World esce con un numero speciale dedicato alla fisica quantistica. I temi trattati spaziano dalla collocazione della fisica quantistica all’interno dell’enciclopedia moderna delle scienze, fino alle più recenti ed innovative scoperte: la crittografia, il paradigma della “misurazione debole”, l’uso dell’entanglement per la trasmissione satellitare dell’informazione. 

physic-world-03-2013Negli ultimi anni, il numero di studi e l’intensità dei dibattiti mostrano come la fisica quantistica stia cominciando ad esercitare un’influenza non indifferente, un po’ come accadde qualche secolo fa alla meccanica newtoniana (l’articolo“The quantum moment” di Robert P. Crease approfondisce questo aspetto). 

Ripercorrere in ordine i singoli contributi della rivista e offrirne un riassunto; sarebbe un’dea, ma non gioverebbe al lettore non tecnico. È più utile utilizzare il numero di Physics World per rendere accessibili alcuni concetti di base, e per capire a che punto si è arrivati nelle ricerche. Focalizzeremo l’attenzione su due aree tematiche, la comunicazione e la biologia quantistica, due paradigmi di quelle “nuove frontiere” cui accenna la rivista.  

PARTICELLE CARICHE DI INFORMAZIONI – La comunicazione quantistica studia i modi in cui si può sfruttare la natura dei fotoni per trasmettere informazioni. Da quando sono state messe a punto alcune tecniche di crittografia quantistica, questa scienza ha ricevuto un’attenzione sempre maggiore da parte di governi, banche e multinazionali. Il motivo è semplice: è impossibile hackerarne i contenuti, in quanto i messaggi sono decifrabili solo dall’emittente e dal destinatario.

Sappiamo che le particelle hanno proprietà davvero strane: non hanno una posizione, né uno stato ben definito, a meno che non intervenga un processo di misurazione a determinarli. Ciò significa che una chiave di cifratura può essere trasmessa in completa sicurezza da Alice a Bob – così di solito ci si esprime per descrivere la trasmissione dell’informazione da A a B – dato che ogni tentativo di intercettarla, dunque di intervenire nel sistema, sarebbe immediatamente noto ad A e B. 

L’inviolabilità dei messaggi è garantita dalla sovrapposizione quantistica, una proprietà unica delle particelle: un fotone può esistere in due stati differenti (polarizzazione verticale e orizzontale, ad esempio). Invece di spedire segnali in codice digitale, cioè 0 e 1, la comunicazione quantistica può spedire informazioni in stati di sovrapposizione che rappresentano sia 0 che 1 allo stesso tempo. Senza contare che sistemi quantistici separati, come una coppia di fotoni, possono essere legati tra loro grazie all’entanglement: in questo modo si ottiene uno strumento estremamente potente, sicuro e che, nel caso di coppie di fotoni, non ha alcuna controparte classica.

L’approccio standard alla comunicazione quantistica prevede che la codifica dei qubit (i bit quantistici) avvenga sfruttando la polarizzazione di fotoni. La rilevazione della corretta polarizzazione richiede però che tutti gli utenti interessati abbiano un sistema di riferimento comune rispetto al quale valutare la polarizzazione stessa. A causa delle modalità di codifica dell’informazione nei qubit, fino ad oggi la comunicazione quantistica poteva essere realizzata solo fra sistemi in quiete. Sfruttando stati quantistici ibridi, di recente sono stati messi a punto dispositivi di codifica che permettono di trasmettere questo tipo di messaggi anche fra utenti in movimento. I segnali quantistici hanno coperto distanze di poche centinaia di kilometri, mettendo in comunicazione punti teoricamente situati in città diverse.  

TRASMETTERE FOTONI TRA SATELLITI IN ORBITA –  Se gli attori in gioco non sono solo Alice e Bob o, ancor peggio, se i sistemi sono distanti tra loro e in moto relativo l’uno rispetto all’altro – come accade quando la comunicazione avviene fra due satelliti in orbita, il cui stato di allineamento può variare nel tempo – la comunicazione sembra impossibile. Si possono superare queste difficoltà mettendo a punto un sistema che consenta una codifica/decodifica efficiente di informazioni in stati di singoli fotoni, in modo che tali stati siano invarianti rispetto a rotazioni arbitrarie intorno all’asse ottico. 

I ricercatori sono riusciti a ottenere questi stati utilizzando per la codifica non solo la polarizzazione, ma anche il momento angolare orbitale della luce. Dal punto di vista teorico sembra possibile: resta da chiarire se e come possa avvenire la trasmissione dell’informazione quantistica in uno spazio vuoto. Un segnale che viaggia dalla Terra ad una stazione spaziale avrebbe trascorso la maggior parte del tempo in uno spazio di questo tipo.

A differenza dell’atmosfera terrestre, che è ricca di molecole di gas, nello spazio vuoto il segnale viaggerebbe in un mezzo diverso, con una resistenza diversa, e viaggerebbe a lungo prima di venire meno. L’ipotesi degli autori dell’articolo “Quantum space race” è quella di creare un network di informazione quantistica. Il modello è già noto agli scienziati: se si prende un satellite in orbita, ad una distanza di circa 32.000 km dalla Terra, è possibile notare che esso funge da “termine medio” tra i due estremi sulla Terra (poniamo in due città lontane). Le due città possono mantenersi in contatto scambiandosi in modo sicuro l’informazione trasportata dai fotoni.

Nell’articolo citato, Thomas Jennewein  e Brendon Higgins hanno studiato le caratteristiche dei satelliti in orbita e hanno presentato un progetto secondo cui sarebbe possibile allineare le stazioni terrestri e quelle in orbita in modo da creare un grande network globale di informazione quantistica tra satelliti in orbita. Se si riuscirà anche a mappare la traiettoria dei fotoni (Aephraim Steinberg et alii., “ In praise of weakness”) il progetto non sembra estrapolato da un romanzo di fantascienza. 

BIOLOGIA QUANTISTICA – Atomi, molecole, sistemi fisici di dimensioni microscopiche. Le proprietà quantistiche si possono osservare solo in queste situazioni, raffreddando la materia fino a sfiorare lo zero assoluto: se il sistema cresce di dimensioni e la temperatura aumenta, si perde la coerenza e le proprietà quantistiche collassano, cedendo il passo alla fisica classica. Ciò nonostante, in vari ambiti gli scienziati hanno dimostrato “l’interferenza” della teoria quantistica: sappiamo che la coerenza quantistica gioca un ruolo determinante nella fotosintesi, e che sono già stati effettuati studi che confermano la presenza nel DNA di proprietà quantistiche. 

Le molecole del DNA hanno infatti la proprietà di essere doppiamente chirali, sia nella direzione di avvolgimento della spirale ad elica sia nella disposizione dei filamenti. Il possesso di questa caratteristica, che consiste nell’avere un’immagine speculare non sovrapponibile a sé – come nel caso delle mani – rende il DNA sensibile allo spin, al punto che alcune molecole filtrano e/o interagiscono in modo diverso con diversi stati di spin.

Questi studi si collocano nell’ambito della biologia quantistica? Per parlare di biologia quantistica è almeno necessario essere d’accordo sui fondamenti della fisica quantistica – cosa non banale, almeno dai tempi della Scuola di Copenaghen. Come osserva Maximilian Schlosshauer in “Agreeing to disagree”, oggi un accordo è solo teoricamente possibile. Ma non dobbiamo cedere allo sconforto: accettare l’interpretazione di Werner Heisemberg dell’indeterminazione dei sistemi quantistici, la natura schizofrenica delle particelle (sia onde che corpuscoli), e la decoerenza come spartiacque tra microcosmo e macrocosmo è sufficiente per non litigare sulla biologia quantistica. Almeno per ora.  

EFFETTO TUNNEL E DNA – Una particella non può superare un ostacolo se non ha l’energia necessaria per farlo. Questo è sempre vero nella meccanica classica, in cui la legge di conservazione dell’energia ci dice che, ad esempio, una pallina da golf non può superare un’altura se non imprimendole una quantità di velocità – il che equivale a cedere energia alla pallina.

La fisica quantistica dice qualcosa di diverso. Una particella ha una probabilità diversa da zero di attraversare una barriera, e questo accade senza alcuna cessione di energia e indipendentemente dalle misure della barriera.  L’effetto tunnel è dovuto alla natura ibrida delle particelle: a volte si comportano come onde sull’acqua a volte come palline da golf. Semplificando, è come se una pallina da golf attraversasse un muro senza distruggerlo. Una delle prove più evidenti di questo effetto è fornita dal Sole e dai corpi celesti: senza l’effetto tunnel le temperature presenti nei nuclei delle stelle non sarebbero sufficienti ad innescare le reazioni  nucleari che ne costituiscono il motore.

Il fisico e divulgatore Jim Al-Khalili, nel saggio “Nature’s quantum subways” si chiede se l’effetto tunnel è ciò responsabile delle mutazioni al nostro DNA – una questione che può essere rilevante per capire l’evoluzione della vita e per la ricerca sul cancro. Jim Al-Khalili tiene conto del fatto che  l’hydrogen tunnelling gioca un ruolo importante in una vasta gamma di reazioni enzimatiche e catalitiche. Le osservazioni di forti effetti isotopici e cinetici intrinseci nelle reazioni enzimatiche hanno chiaramente dimostrato la presenza di effetti quantistici che, però, non comportano problemi di coerenza quantistica.

In conclusione, se l’effetto tunnel è un importante meccanismo anche nelle mutazioni, la fisica quantistica potrebbe chiarire alcuni dei meccanismi che conducono le cellule a diventare cancerose. Con queste ricerche, Jim Al-Khalili si pone sulla scia di alcune istanze di più ampio respiro che abbiamo già trovato in What is Life? (Che cos’è la vita?) di Ernest Schrödinger.

FRONTIERE QUANTISTICHE – Di fronte a queste prospettive di ricerca non possiamo certo dire che la fisica quantistica sia una scienza bizzarra, utile e comprensibile solo ad una cerchia ristretta di iniziati. Dal punto di vista tecnico, se si riuscirà a renderla compatibile con la gravità, riuscendo anche a misurare lo stato della funzione d’onda senza causarne il collasso, si avrà una teoria più coerente (si veda The curious state of quantum physics di Vlatko Vedral).

Dal punto di vista del dialogo con le altre discipline, la fisica quantistica potrà aiutare a rispondere ad alcuni degli interrogativi più profondi che la scienza si pone, capace anche di colmare gli errori e i limiti insiti nella comunicazione umana (L’Aquila scientists appeal convictiondi Edwin Cartlidge).

Come ricorda Immanuel Bloch in“Quantum leaps for simulation, forse non siamo tanto distanti dal sogno di Richard Feynman: realizzare un simulatore quantistico universale in grado di risolvere “qualsiasi” problema. Insomma, la scoperta del “Graal della fisica”, unificare fisica quantistica e relatività in una Teoria del Tutto, non sarebbe un lontano miraggio.   

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