giovedì 29 novembre 2012

A sproposito di qubit, entanglement e meccanica quantistica

David Hilbert
La lettura di questo articolo è sconsigliata a chi sa cosa sia uno spazio di Hilbert. Se pensate che lo spazio di Hilbert potrebbe essere un romanzo di fantascienza oppure il prato condominiale di suo zio allora siete i benvenuti.

Da qualche giorno mi dicevo: voglio scrivere qualcosa sull'entanglement. Ma purtroppo ancora non sono riuscito a capire bene cosa sia. Per capire appieno la meccanica quantistica bisogna essere in grado di comprendere o di maneggiare la matematica che ci sta dietro, altrimenti la comprensione richiede un atto di fede.

È possibile che qualcosa che accade qui possa istantaneamente far succedere qualcosa in una remota posizione? Se si misura qualcosa in un laboratorio, è possibile che nello stesso momento, un evento simile avvenga a dieci km di distanza, dall'altra parte del mondo, o dall'altra parte dell'universo?
Sorprendentemente, e contro ogni intuizione che potremmo avere sul funzionamento dell'universo, la risposta è sì. [.. ].
L'entanglement, un fenomeno in cui due entità sono inesorabilmente legate non importa quanto lontane l'uno dall'altro possono essere.
[libera traduzione dal libro: Amir D. Aczel - Entanglement: The Greatest Mystery in Physics]

La meccanica quantistica sta alla base di gran parte delle realizzazioni tecnologiche del nostro secolo. Non solo tutto quello che ha a che fare con l'energia atomica o i laser, ma anche tutto lo sviluppo dell'elettronica ha preso spunto dalla meccanica quantistica: i semiconduttori sono alla base dei transistor che sono alla base della quasi totalità dei circuiti integrati (spesso chiamati chip) che vanno a formare micro-processori e altri componenti di tutte le apparecchiature elettroniche.

La parola semiconduttore fu introdotta da Alessandro Volta per indicare un materiale che a differenza dei conduttori e degli isolanti, si scarica molto lentamente. Saremmo arrivati al transistor anche senza la meccanica quantistica? Io credo di si ma i progressi sarebbero stati più lenti

Da qualche anno si sta però lavorando ad un tipo di computer che non sarebbe nemmeno stato concepito senza la teoria dei quanti: il computer quantistico.

Il suo funzionamento si basa sul qubit: per capire cos'è un qubit ci vuole un'intera bibbia di atti di fede o di postulati.

Il postulato è l'atto di fede del matematico o del fisico:  a partire da uno o più postulati si delinea un quadro teorico che a sua volta può dare forza ai postulati se si hanno riscontri sperimentali.
Io direi di soffermarci anzi di fermarci al Primo postulato della meccanica quantistica:
ad ogni sistema quanto-meccanico isolato è associato uno spazio di Hilbert separabile sul campo complesso, noto come spazio degli stati del sistema. Il sistema è completamente descritto dal suo vettore di stato che è un vettore unitario appartenente allo spazio degli stati.
A questo punto penso che confidare in Wikipedia o confidare in Harry Potter sia la stessa cosa, almeno nell'ambito di questo articolo.

Fortunatamente per i non matematici Wikipedia ci viene in aiuto con una spiegazione più abbordabile:
oppure da La Stampa
un bit può essere sia 0 sia 1 oppure entrambi allo stesso tempo e il bit diventa un qubit
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 fino a che qualcuno non la schiacci con una mano bloccandone la rotazione e obbligandola finalmente a mostrare una delle sue facce.
Al momento mettendo in relazione una decina di qubit si riesce a realizzare un computer quantistico in grado di risolvere complicate equazioni in tempi brevissimi, e questi computer quantistici, al momento simili ad un barile con tubi e fili che spuntano da tutte le parti, sono così efficienti nel risolvere particolari compiti, che già vengono impiegati nella soluzione di problemi di fluidodinamica.
Nel 2011 è stato venduto il primo computer quantistico D-Wave One alla compagnia Lockheed Martin Corporation di Bethesda, Maryland.
Dicevo che se non si padroneggiano gli strumenti matematici necessari la comprensione della meccanica quantistica, come quella della relatività, viene sostituita da un atto di fede.

In fin dei conti i nostri politici di atti di fede ce ne chiedono tanti!

Ma da un atto di fede ne può seguire un altro e così via, e nascono (o possono nascere) spiegazioni pseudo-scientifiche per qualsiasi cosa al momento inspiegabile.

Sono gli stessi scienziati a parlarci di teletrasporto e di viaggi nel tempo! O quanto meno delle relative basi teoriche.

Quando si accetta qualcosa che il nostro senso comune rifiuterebbe a priori, è facile far passare attraverso questa breccia qualsiasi falsa verità.
Potremmo allora spiegarci il principio di diluizione infinita alla base delle cure omeopatiche, o l'empatia fra gemelli, e perché no la telepatia.
Certo non si può escludere che tali fenomeni possano in futuro essere spiegati dalla meccanica quantistica, ma per quanto ne sappiamo potrebbero anche essere confutati!

Fonti / Link:
http://www.link2universe.net/2011-10-02/applicazioni-della-meccanica-quantistica-il-transistor/
Il Nobel della fisica ai domatori di particelle
Nobel della fisica a Haroche e Wineland per gli studi sulle particelle quantistiche
Fisica: misurata la forma della luce
Seth Lloyd: neanche Google resisterà ai super-computer
Diamanti (quantisticamente) inseparabili
Fenomenologia della realtà: il nuovo paradigma olistico
http://www.qubit.it/faq/it-faq.html#entanglement
http://it.wikipedia.org/wiki/Qubit
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