Premio rivoluzionario per la fisica dell’informazione quantistica… e delle cellule

L’idea di utilizzare le leggi della meccanica quantistica per il calcolo è stata proposta nel 1982 da Richard Feynman. Ma a Deutsch, che è all’Università di Oxford, nel Regno Unito, viene spesso attribuito il merito di aver stabilito le basi concettuali della disciplina. I bit di computer che obbediscono ai principi quantistici, come la sovrapposizione e l’entanglement, possono eseguire alcuni calcoli in modo molto più veloce ed efficiente di quelli che obbediscono alle regole classiche. Nel 1985 Deutsch postulò che un dispositivo composto da tali bit quantistici (qubit) potesse essere reso universale, il che significa che potrebbe simulare qualsiasi sistema quantistico. Deutsch ha inquadrato la sua proposta nel contesto dell’interpretazione dei “molti mondi” della meccanica quantistica (di cui è un sostenitore), paragonando il processo di un calcolo quantistico a quello di molti calcoli paralleli che si verificano simultaneamente in mondi entangled.

Per motivare ulteriormente il lavoro nell’informatica quantistica, i ricercatori dell’epoca avevano bisogno di problemi che un computer quantistico potesse risolvere in modo univoco. “Ricordo le conversazioni dei primi anni ’90 in cui le persone discutevano se i computer quantistici sarebbero mai stati in grado di fare qualcosa di veramente utile”, afferma il fisico quantistico William Wootters del Williams College, Massachusetts, che ha lavorato con Bennett e Brassard su problemi di crittografia quantistica . “Poi improvvisamente Peter Shor ha ideato un algoritmo quantistico che potrebbe davvero fare qualcosa di eminentemente utile.”

Nel 1995 Shor, che ora è al Massachusetts Institute of Technology, sviluppò un algoritmo in grado di fattorizzare grandi numeri interi – scomporli in prodotti di numeri primi – in modo molto più efficiente di qualsiasi algoritmo classico noto. Nel calcolo classico, il tempo necessario per fattorizzare un numero elevato aumenta in modo esponenziale all’aumentare del numero, motivo per cui la fattorizzazione di numeri grandi fornisce la base per i metodi odierni per la crittografia dei dati online. L’algoritmo di Shor ha mostrato che per un computer quantistico il tempo necessario aumenta meno rapidamente, rendendo potenzialmente più fattibile la fattorizzazione di grandi numeri. Questa dimostrazione teorica “immetteva immediatamente energia nel campo”, afferma Wootters. Shor ha anche dato importanti contributi alla teoria della correzione dell’errore quantistico, che è più impegnativa nel calcolo quantistico che nel calcolo classico (vedi Focus: punti di riferimento—Correzione degli errori del computer quantistico).

“Senza Deutsch e Shor non avremmo il campo del calcolo quantistico come lo conosciamo oggi”, afferma il teorico quantistico Artur Ekert dell’Università di Oxford, che considera Deutsch il suo mentore. “David ha definito il campo e Peter lo ha portato a un livello completamente diverso scoprendo il vero potere del calcolo quantistico e dimostrando che può effettivamente essere fatto”.

La crittografia dei dati è l’argomento citato per il premio di Bennett (Centro di ricerca Thomas J. Watson di IBM a Yorktown Heights, New York) e Brassard (Università di Montreal, Canada). Nel 1984 la coppia descrisse un protocollo in cui le informazioni potevano essere codificate in qubit e inviate tra due parti in modo tale che le informazioni non potessero essere lette da un intercettatore senza che quell’intervento fosse rilevato. Come l’informatica quantistica, questo schema crittografico quantistico si basa sull’entangling dei qubit, il che significa che le loro proprietà sono interdipendenti, non importa quanto distanti siano separate. Questo protocollo “BB84” e schemi di crittografia quantistica simili sono stati ora utilizzati per la trasmissione sicura di dati lungo reti ottiche e persino via satellite per migliaia di chilometri (vedi Focus: Intercontinental, Quantum-Encrypted Messaging and Video).

Nel 1993 Bennett e Brassard hanno anche mostrato come l’entanglement possa essere sfruttato per il “teletrasporto quantistico”, per cui lo stato di un qubit viene trasmesso a un altro lontano mentre lo stato originale viene distrutto (vedi Focus: punti di riferimento—Il teletrasporto non è fantascienza). Anche questo processo ha applicazioni nell’elaborazione dell’informazione quantistica.

“Sono davvero gratificato da questo premio perché riconosce il campo dell’informazione quantistica e del calcolo”, afferma Shor. Deutsch fa eco al sentimento: “Ne sono felice [quantum information] è ora ufficialmente accettata come fisica fondamentale piuttosto che come filosofia, matematica, informatica o ingegneria”.

Deutsch, Shor, Bennett e Brassard meritano riconoscimenti per il loro lavoro e “Sono lieto che lo stiano ottenendo”, afferma Wootters. Osserva che la loro ricerca non solo ha ispirato lo sviluppo delle tecnologie quantistiche, ma ha anche influenzato la nuova ricerca sui fondamenti quantistici. “La teoria quantistica dell’informazione vede la teoria quantistica attraverso una nuova lente e apre una nuova prospettiva da cui affrontare le questioni fondamentali”.

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