In questo articolo, cercheremo di mettere in relazione il paradosso del gatto di Schrödinger, la natura quantistica dei processi subatomici e i computer quantistici come Willow. Faremo riferimento, inoltre, al ruolo dell’osservatore e alla sconvolgente ipotesi degli universi paralleli, detta anche interpretazione a molti mondi. Sarà un viaggio mentale tra scienza e stranezza, in cui fisica, informatica e filosofia si mescolano in un cocktail mozzafiato. E con un pizzico di humor.
1) L’esperimento mentale del gatto di Schrödinger: il paradosso vivo-morto
La storia del gatto di Schrödinger è una delle basi più note (e spesso fraintese) della fisica quantistica. Nel 1935, il fisico Erwin Schrödinger elaborò questo paradosso per evidenziare quanto la meccanica quantistica fosse in contrasto con la nostra intuizione del mondo macroscopico. Vediamo di riassumerlo:
- Si prende un gatto e lo si chiude in una scatola d’acciaio, sigillata e impenetrabile alla vista.
- All’interno della scatola, c’è un dispositivo “diabolico”: un contatore Geiger collegato a un minuscolo pezzo di materiale radioattivo. In un’ora, tale sostanza ha il 50% di probabilità di decadere (emettendo radiazioni) e il 50% di probabilità di non decadere.
- Se la sostanza decade, il contatore Geiger scatta e fa muovere un piccolo martelletto che rompe una fiala di cianuro. Il cianuro viene rilasciato e il gatto muore.
- Se la sostanza non decade, nulla si rompe e il gatto resta vivo.
La domanda cruciale è: dopo un’ora, il gatto è vivo o è morto? Secondo l’interpretazione standard della meccanica quantistica, prima di effettuare una misurazione, la particella radioattiva si trova in una sovrapposizione di stati: la probabilità di decadere e di non decadere coesistono. Analogamente, anche il gatto è in uno stato di sovrapposizione “vivo-morto”: non è né vivo né morto, ma entrambe le cose nello stesso tempo, finché non apriamo la scatola.
La funzione d’onda, associata all’intero sistema (gatto + sostanza radioattiva + contatore), collassa solo quando un osservatore (o un qualsiasi strumento macroscopico) esegue la misura, ossia apre la scatola. In quell’istante, il gatto assume uno stato ben definito: o vivo, o morto. Questo appare decisamente assurdo: come può un gatto essere in due stati contemporaneamente? Nel mondo macroscopico, noi non osserviamo mai simili fenomeni. Eppure, a livello microscopico, sembra essere la normalità.
2) La natura probabilistica del mondo quantistico
Perché mai, ai nostri occhi, “gatto vivo e morto allo stesso tempo” risulta così nonsensico? La chiave sta nel fatto che la meccanica quantistica descrive i sistemi fisici attraverso funzioni d’onda, che non forniscono determinazioni assolute, bensì probabilità che un sistema si trovi in uno stato piuttosto che in un altro. Prima della misura (o dell’interazione con un sistema classico), la particella radioattiva è descritta da una combinazione lineare di stati quantistici: un tot di probabilità di decadere e un tot di probabilità di non decadere. Quando misuriamo, obblighiamo la particella a scegliere — o, secondo altre interpretazioni, noi estraiamo una delle possibilità con una certa probabilità.
Il paradosso del gatto sottolinea l’assurdità di estendere la logica quantistica a oggetti macroscopici, come animali domestici. Eppure, a rigore, la teoria lo consentirebbe. In realtà, la cosiddetta decoerenza impedisce che la sovrapposizione di stati si manifesti in modo evidente su grande scala: le interazioni con l’ambiente dissipano rapidamente l’informazione quantistica, rendendo irrilevante la “sovrapposizione gatto vivo-morto”.
3) Una tecnologia folle: i computer quantistici
Ora, passiamo all’altro grande protagonista di questa storia: i computer quantistici. L’idea di sfruttare fenomeni quantistici come la sovrapposizione e l’entanglement per il calcolo informatico risale agli anni ’80. Già Richard Feynman e altri pionieri si resero conto che certi problemi, come la simulazione di sistemi molecolari, o la fattorizzazione di numeri molto grandi, diventavano enormemente più semplici se anziché ricorrere ai bit classici (0/1) si potesse usare un bit quantistico, detto cubit. Un cubit, a differenza di un bit, può stare in molti stati insieme, e grazie al principio di sovrapposizione, un computer quantistico può elaborare simultaneamente tutte le combinazioni di input (o stati) che un computer classico esaminerebbe in modo sequenziale.
Sommate a questo l’entanglement: se due cubit sono entangled, la misurazione di uno determina all’istante lo stato dell’altro, indipendentemente dalla distanza che li separa. Ciò consente di “propagare” l’informazione in maniera potentissima, permettendo algoritmi che crescono in capacità in modo esponenziale con l’aumentare del numero di cubit. Purtroppo, la stessa fragilità degli stati quantistici — la cosiddetta decoerenza — rende difficilissimo costruire e far funzionare i computer quantistici su una scala rilevante. Basta una minima vibrazione, un campo elettromagnetico, un rumore termico o qualsiasi perturbazione, e “puff!”: i qubit si sfasano, e gli errori distruggono il calcolo.
4) Willow: il nuovo chip quantistico firmato Google
Benvenuti a Willow, un processore quantistico di ultima generazione sviluppato da Google, un quadratino apparentemente insignificante che racchiude l’essenza della rivoluzione quantistica. Questo prototipo, stando a quanto pubblicato sulla rivista Nature e in alcuni documenti, si distingue per due motivi fondamentali:
- Incredibile potenza di calcolo – Willow ha svolto un calcolo complesso in meno di 5 minuti, mentre un supercomputer classico avrebbe impiegato un tempo superiore all’età dell’universo. Si parla di un problema “di riferimento”, appositamente creato per testare le performance, ma ci dà un’idea della superiorità esponenziale di un processore quantistico ben progettato.
- Miglior gestione degli errori – Come detto, la decoerenza e la fragilità degli stati quantistici sono nemiche del calcolo. Willow riesce a ridurre gli errori man mano che si aggiungono più cubit: un’innovazione enorme, se pensiamo che in altri progetti quantistici gli errori crescono invece in parallelo col numero di qubit. Willow apre quindi la strada a un hardware più scalabile.
Che significa poter risolvere calcoli “impossibili” in pochi minuti? Al momento, non è che Willow vi riproduca Fortnite in 8K o calcoli la busta paga di tutti gli impiegati. I test sono puramente teorici. Ma la posta in gioco è il passaggio a una fase avanzata di sviluppo dei computer quantistici, capaci di scardinare, per esempio, algoritmi di cifratura su cui oggi facciamo affidamento per le transazioni bancarie online. Oppure di simulare in modo straordinario le molecole biologiche, con ricadute in campo medico e farmacologico. Non meno importante, la ricerca sui fondamenti della fisica potrebbe fare un balzo in avanti: col supporto di un processore quantistico potente, i teorici potrebbero testare ipotesi altrimenti inaccessibili.
5) Universi paralleli: la folle interpretazione a molti mondi
Tra le teorie più speculative e affascinanti c’è quella secondo cui la meccanica quantistica non è assurda, ma siamo noi a non comprenderla appieno perché coesistono innumerevoli universi. L’idea fu avanzata negli anni ’50 dal fisico Hugh Everett, e ha preso il nome di interpretazione a molti mondi. Secondo essa, ogni possibile esito di un processo quantistico si realizza, ma in un altro universo. Quando apriamo la scatola, vediamo “il gatto vivo”, ma in un universo parallelo lo vedono “morto”, ed entrambi i risultati sono “reali” in contesti diversi. In questa visione, la misurazione non fa altro che “separare” gli universi.
Oggi, con l’avvento di Willow e di altri computer quantistici, alcuni ricercatori si spingono a dire che l’enorme capacità di calcolo potrebbe in parte darsi perché attingiamo alle risorse di infiniti universi. È evidente che siamo di fronte a un’ipotesi metafisica, priva di dimostrazione concreta. Ma in uno scenario “a molti mondi”, la sovrapposizione di stati e l’entanglement trovano una spiegazione in un continuo sdoppiarsi del multiverso a ogni biforcazione probabilistica. Impossibile dire se sia vero, ma la magia di un computer quantistico che sfrutta la compresenza di infiniti stati suscita analogie con l’idea di “un numero infinito di calcoli in un numero infinito di mondi”.
6) Tra monete quantistiche, gatti vivi e cianuro: come funziona davvero
Perché i computer quantistici appaiono così potenti? Proviamo un esempio semplice: se avete un computer classico con 4 bit, potete rappresentare 16 combinazioni (da 0000 a 1111). Se volete processare ciascuna combinazione in modo distinto, dovete “scorrere” tutte e 16 le possibilità. In un computer quantistico, se avete 4 cubit, potete metterli in una sovrapposizione di tutte le 16 combinazioni contemporaneamente. Grazie al principio di entanglement, potete realizzare un singolo calcolo che, in un certo senso, “abbraccia” tutte le combinazioni, e la misura finale vi fornirà la risposta. Aggiungendo cubit, la potenza cresce esponenzialmente. Se aveste 50 cubit ben gestiti, il numero di stati supererebbe il numero di atomi nell’intero sistema solare.
Il guaio è che nella pratica, più cubit aggiungiamo, più diventa arduo mantenere l’isolamento del sistema dai fattori ambientali. Un banale cambio di temperatura, un rumore elettrico, un’emissione casuale di radiazione può far collassare la sovrapposizione, generando errori. Willow e i suoi “fratellini” promettono di ridurre tali errori tramite correzione quantistica, sistemi di raffreddamento a temperature prossime allo zero assoluto, e un design dei circuiti che minimizza il disturbo. Sarà sufficiente a creare un device utilizzabile per compiti reali? Gli scienziati rispondono con un “sì, ma forse fra qualche anno”. Però i progressi di quest’ultimo periodo sono notevoli: giusto nel 2019, un chip chiamato Sycamore, sempre di Google, aveva fatto un calcolo in 200 secondi che un supercomputer (classico) avrebbe eseguito in 10.000 anni. Ora Willow è andato molto oltre.
7) Ma la fisica quantistica serve davvero a capire la realtà macroscopica?
Questo è il dilemma che Schrödinger voleva sollevare col paradosso del gatto. Davvero vogliamo accettare che oggetti macroscopici (come un gatto) si trovino in stati di sovrapposizione (vivo e morto) finché non si effettua una misura? Oppure la decoerenza sopraggiunge talmente in fretta che non c’è neanche il tempo di parlare di superposizione? O ancora, la teoria dei molti mondi spiega che in un universo il gatto è vivo, in un altro è morto, e in un altro è diventato Magic Mike? Non abbiamo risposte certe: ci sono interpretazioni (Copenaghen, a molti mondi, a variabile nascosta, collassamento spontaneo) in competizione.
Ciò che sappiamo è che la fisica quantistica, sebbene in apparenza stridente, funziona. Funziona talmente bene che abbiamo costruito transistor, laser, diodi, dispositivi semiconduttori di ogni tipo, e ora stiamo cercando di fare un salto ulteriore con i qubit. Magari fra qualche anno i computer quantistici potranno svelarci misteri più grandi, come la natura della materia oscura, la nascita dell’universo, le reazioni chimiche complesse dell’origine della vita.
8) Gli universi paralleli e il futuro “misterioso”
I ricercatori più “arditi” a volte sostengono che i calcoli quantistici avvengano attingendo a “risorse computazionali” provenienti dagli universi paralleli. È un’affermazione che fa venire i brividi, e che molti fisici considerano poco più di un escamotage retorico. Tuttavia, guardare i computer quantistici come “porte” verso il multiverso è perlomeno una suggestione letteraria potentissima. Il confine tra scienza e filosofia, in queste terre di confine, si fa sottilissimo. E forse è bello così. C’è chi evoca persino un parallelismo col paradosso del gatto di Schrödinger: ogni circuito quantistico sta un po’ come quel gatto, con la differenza che la “misura finale” produce la risposta a un calcolo.
9) Sovrapposizione, decoerenza e la correzione degli errori quantistici
Perché Willow è definito “straordinario”? Uno dei colli di bottiglia nello sviluppo di grandi processori quantistici è la quantum error correction. In parole povere, come si fa a proteggere la fragile sovrapposizione quantistica dai disturbi? I bit classici implementano un checksum o un ridondanza degli 1 e degli 0; nei qubit, non è così semplice, perché ogni bit è in una combinazione di 0 e 1. Bisogna strutturare i circuiti quantistici in modo che un errore su un singolo cubit venga “scaricato” su una rete di qubit ridondanti, permettendo al sistema di ricostruire l’informazione corretta.
I dati su Willow mostrano che aumentando il numero di qubit, l’errore non cresce più in modo insopportabile (come accadeva in alcuni esperimenti precedenti), anzi, in certe condizioni, diminuisce. Questo significa che c’è una soglia critica oltre la quale la correzione d’errore quantistica diventa gestibile, e noi possiamo quindi costruire macchine più scalabili, con 100, 200, 1000 qubit stabili. Quali orizzonti si spalanchino da lì in avanti, è facile immaginarlo: potremmo risolvere problemi di criptografia, generare chiavi quantistiche inviolabili, simulare reazioni chimiche e creare nuovi materiali.
10) Paragone con i calcolatori classici: la moneta che gira
Un’analogia comune per spiegare l’enorme vantaggio della computazione quantistica è immaginare una moneta che gira. Un bit classico è come una moneta immobile, già “caduta” su testa o croce, 0 o 1. Un qubit è come la moneta in aria, che gira ancora e quindi non ha un valore definito. Prima di “aprire la scatola” (o di vedere dove cade la moneta), la moneta è in uno stato indefinito (una sovrapposizione statistica). La forza sta nel fatto che questa “rotazione” può rappresentare tutte le possibilità in modo coerente, e manipolazioni appropriate della moneta possono cancellare alcune probabilità, amplificare altre, finché al termine (quando la misuriamo davvero) otteniamo un risultato che, in un colpo solo, risolve un problema di enorme complessità.
11) Ma in che modo si collega tutto al gatto di Schrödinger?
Il gatto di Schrödinger ci racconta l’essenza della sovrapposizione, mentre un computer quantistico la sfrutta in senso costruttivo: molte soluzioni matematiche “coesistono” in attesa della misura finale. Se l’esperimento del gatto è nato per farci dire “oh che assurdità questa meccanica quantistica”, i chip come Willow dicono “tutta questa assurdità è un vantaggio incredibile per certi tipi di calcolo”. Il paradosso vivo-morto, in cui non sappiamo se la fiala di cianuro si è rotta, in un computer quantistico diventa “non sappiamo se quel qubit è 0 o 1, ma possiamo usarlo come se fosse entrambe le cose finché non lo misuriamo”.
12) L’importanza della misurazione: l’osservatore come parte integrante
Un altro nodo cruciale del paradosso del gatto è il ruolo dell’osservatore. Nel racconto classico, finché non apriamo la scatola, il gatto risulta “vivo e morto”. La funzione d’onda non collassa. Nel gergo dei computer quantistici, la misurazione è l’operazione che converte la sovrapposizione di tutti gli stati in un risultato unico. Prima della misurazione, si fanno le operazioni quantistiche (gate, evoluzioni unitarie, entanglement…), e questa fase è il “regno del potenziale”, dove il processore quantistico sembra manipolare un enorme spazio di stati. Solo al termine, l’utente “apre la scatola” e ottiene la risposta. È un momento delicato: se lo si fa troppo presto, non si sfrutta l’evoluzione; se lo si fa troppo tardi, rischia di intervenire un qualche disturbo.
13) Il futuro di Willow e la rivoluzione tecnologica
Willow, stando ai dati, è riuscito a realizzare un test di supremazia quantistica (quel punto in cui una macchina quantistica straccia i supercomputer tradizionali) in meno di 5 minuti. Il record di Sycamore del 2019 (200 secondi contro 10mila anni) è superato: ora parliamo di un calcolo che un computer classico avrebbe richiesto oltre 10^25 anni, mentre Willow l’ha svolto in un battito di ciglia relativamente parlando. Questa performance è resa possibile da un design di circuiti ottimizzato e da miglioramenti nella correzione d’errore quantistica.
Se anche lo scetticismo rimane — “sono problemi artificiali, scelti apposta per dare un vantaggio alla computazione quantistica!” — è pur vero che, storicamente, ogni volta che ci siamo detti “questo è un test costruito apposta, non servirà mai”, poi la tecnologia ha trovato applicazioni reali sorprendenti. Così, ben presto, i computer quantistici potrebbero entrare in laboratori farmaceutici, centri di ricerca materiali, banche (per la gestione di cifrature e algoritmi di trading), e chissà in quanti altri settori. Forse la chimica quantistica — cioè lo studio delle reazioni chimiche su vasta scala — sarà la prima beneficiaria di questa “rivoluzione”.
14) Qualcuno dice: “Ma allora facciamoci un quantum PC a casa?”
Per ora, no. Non ci illudiamo di sostituire il PC da gaming con un modulo quantistico. I prototipi come Willow (ma anche i Q System One di IBM, o i dispositivi D-Wave) sono enormi macchinari che funzionano a temperature prossime allo zero assoluto, con apparati criogenici e ingegneria sofisticata. Qualsiasi vibrazione rischia di invalidare il calcolo quantistico. E la manutenzione è tutt’altro che banale.
Dobbiamo ragionare su un’orizzonte di anni, forse decenni, prima di avere un Cloud quantistico affidabile a disposizione delle imprese. E sarà un fenomeno a cui bisognerà adattarsi, soprattutto sul fronte della sicurezza informatica: protocolli di cifratura come l’RSA, che oggi ci paiono sicuri, saranno spazzati via da un computer quantistico ben sfruttato.
15) Rileggere il gatto di Schrödinger alla luce di Willow
La natura “vivo e morto” potrebbe, con i computer quantistici, tradursi in un “0 e 1 contemporaneamente”. E se ci pensiamo, questa è proprio la colonna portante del meccanismo. In un certo senso, Willow è un gatto di Schrödinger “positivo” (che coesiste in tutti gli stati), ma con la differenza che, attraverso la gestione accurata di gate quantistici, possiamo orientarne l’evoluzione prima che la “scatola” si apra.
Si mantiene la sovrapposizione di molti stati per calcolare simultaneamente combinazioni e la si fa collassare solo alla fine, nella soluzione migliore. Questo ci ricorda che l’atto di osservare in meccanica quantistica non è un semplice “dare un’occhiata”, ma un processo fisico di interazione che modifica la realtà del sistema osservato.
16) Conclusione: un viaggio tra paradossi e promesse del domani
Che cosa ci insegna, dunque, tutto questo? Da una parte, la storia del gatto di Schrödinger è un paradosso teorico che rivela la doppiezza (anzi, la “molteplicità”) degli stati quantistici, messa in evidenza da un esperimento mentale. Ci fa pensare al ruolo dell’osservatore e al concetto di misurazione, al modo in cui la realtà si definisce. Dall’altra, l’apparizione di Willow, un chip quantistico così sofisticato, ci mostra che quegli stessi fenomeni “assurdi” possono divenire alleati nei calcoli, consentendo prestazioni impensabili con i computer tradizionali.
Qualcuno potrebbe dire che stiamo solo grattando la superficie. E difatti è vero: la fisica quantistica è ricca di interpretazioni, di modelli, di equazioni che fanno paura, e i computer quantistici restano un cantiere aperto. Eppure, come l’esperimento del gatto ci insegna a guardare la realtà con occhi nuovi, così i dispositivi come Willow ci fanno capire che, a volte, l’impossibile diventa possibile. Forse, tra vent’anni, avremo un Cloud quantistico accessibile con cui risolvere problemi scientifici e commerciali di enorme portata, e magari la quotidianità verrà influenzata da nuovi servizi. Avremo, per esempio, simulazioni chimiche che portano a farmaci rivoluzionari, o a materiali ultra-resistenti e leggeri, oppure a previsioni meteo super-accurate, o a tecnologie di crittografia di sconcertante efficacia.
La scienza, in fondo, è fatta di paradossi che ci spingono a vedere oltre. Il gatto di Schrödinger era un monito: attenti, le regole del mondo microscopico sono altre. E Willow è la prova che, una volta accettata la bizzarria quantistica, possiamo trarne vantaggi formidabili. Certo, resta il sogno (o l’incubo) che in un multiverso alternativo, un altro scienziato stia scrivendo un saggio in cui afferma che Willow è un fallimento, e che quell’altro “noi” sta scoprendo una tecnologia del tutto diversa. Oppure che il gatto abbia parlato e se ne sia andato indignato. L’importante, forse, è non smettere di meravigliarci.
Appendice: riflessioni finali su gatti, chip e dimensioni parallele
- Il gatto di Schrödinger insegna che la fisica quantistica non si ferma alle nostre percezioni intuitive del mondo. La sovrapposizione “vivo-morto” è un simbolo: prima della misura, regnano le probabilità, dopo la misura, ecco un risultato determinato.
- I computer quantistici, come Willow, sfruttano la sovrapposizione e l’entanglement per effettuare calcoli che un computer classico potrebbe richiedere eoni per portare a termine.
- L’interpretazione a molti mondi e altre teorie “bizzarre” tentano di dare un senso al perché “funzioni” la meccanica quantistica, ma di fatto rimangono discorsi speculativi.
- Ciò che conta è che funziona: transistor, laser, semiconduttori, e oggi processori quantistici. In un certo senso, stiamo “addomesticando” un mondo di probabilità, di entanglement e di sovrapposizioni, e la prospettiva è grandiosa.
- Proprio come quel gatto chiuso nella scatola, la scienza quantistica sta forse in uno stato di transizione: potremmo non comprendere appieno la realtà, ma nel frattempo costruiamo dispositivi rivoluzionari che ce ne mostrano i benefici.
E così, come direbbe qualcuno, la storia continua. Tenete d’occhio i titoli di Nature e Science: ogni mese, nuovi risultati svelano aspetti impensabili della fisica quantistica. E chissà, magari un giorno davvero scopriremo che esiste un altro “noi” in un universo dove i computer quantistici non funzionano e dove il gatto di Schrödinger si è vendicato, dominando il pianeta! Per fortuna, qui, in questo universo, il gatto è soltanto un esperimento mentale. E Willow, un processore reale che, con i suoi calcoli a velocità da sogno, ci proietta verso il futuro.
