La fisica quantistica descrive il comportamento della materia e dell’energia su scala atomica e subatomica. A questa scala, le leggi della meccanica newtoniana smettono di funzionare: una particella può comportarsi come un’onda, due oggetti separati da una grande distanza possono rimanere correlati, e un sistema fisico può esistere in più stati contemporaneamente finché non viene effettuata una misura.
Perché la meccanica classica fallisce su scala atomica
La fisica classica si basa su grandezze continue: posizione, velocità, energia variano in modo fluido. All’inizio del ventesimo secolo, esperimenti hanno dimostrato che l’energia emessa da un corpo caldo non seguiva questa logica. Planck ha proposto che l’energia venga scambiata in pacchetti discreti, i quanta di energia.
Einstein ha ampliato questa idea dimostrando che la luce stessa si comporta come un flusso di particelle (i fotoni) durante l’effetto fotoelettrico. Questo risultato contraddiceva il modello ondulatorio classico della luce, convalidato da decenni.
Per approfondire la definizione della fisica quantistica, è necessario tenere a mente questo punto di partenza: le grandezze fisiche non sono continue su piccola scala, sono quantificate. Tutto il formalismo sviluppato successivamente da Heisenberg, Schrödinger e Dirac deriva da questa rottura.
Dualità onda-particella e sovrapposizione quantistica: due principi fondatori
La dualità onda-particella
Un elettrone inviato verso due fessure produce una figura di interferenza su uno schermo, come farebbe un’onda. Ma se un rivelatore identifica attraverso quale fessura passa, la figura scompare e l’elettrone si comporta come una particella. L’osservazione modifica il risultato dell’esperimento.
Questo fenomeno non è una metafora. È stato riprodotto migliaia di volte in laboratorio, anche con molecole composte da decine di atomi. La dualità onda-particella è un fatto sperimentale, non un’interpretazione filosofica.
La sovrapposizione di stati
Un sistema quantistico può esistere simultaneamente in più stati. Un atomo può essere sia eccitato che non eccitato, un fotone polarizzato verticalmente e orizzontalmente. La misura costringe il sistema a “scegliere” uno stato tra i possibili.
È questo principio che Schrödinger ha spinto all’assurdo con il suo esperimento mentale del gatto, sia vivo che morto. L’immagine è diventata famosa, ma mirava a sottolineare l’assurdità del formalismo, non a convalidarlo.
Intreccio quantistico: correlazione senza segnale
Due particelle possono essere preparate in uno stato intrecciato. Misurare una fissa istantaneamente lo stato dell’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Einstein qualificava questo fenomeno come “azione spettrale a distanza” perché sembrava violare la relatività.
L’intreccio non consente di trasmettere informazioni più velocemente della luce. I risultati delle misurazioni rimangono casuali presi isolatamente. È solo confrontando le misurazioni dei due lati che si osserva la correlazione, e questo confronto richiede un canale classico.
Alain Aspect, premio Nobel per la fisica 2022, ha condotto esperimenti che hanno confermato la realtà dell’intreccio e scartato le spiegazioni basate su “variabili nascoste locali”. I suoi lavori hanno posto le basi di quella che viene chiamata la seconda rivoluzione quantistica, rivolta all’utilizzo tecnologico di questi fenomeni.
Applicazioni concrete delle tecnologie quantistiche
I principi di sovrapposizione e intreccio non rimangono più confinati ai laboratori di ricerca. Diversi settori tecnologici se ne appropriano, con gradi di maturità molto diversi.
- Sensoristica quantistica: dispositivi che sfruttano la sensibilità estrema degli stati quantistici alle perturbazioni esterne vengono sviluppati per funzionare al di fuori del laboratorio. I Sandia National Laboratories stanno lavorando su sensori utilizzabili quando il GPS non è disponibile, anche se la soluzione non è ancora integrata su chip né dimostrata come sistema completo di navigazione.
- Informatica quantistica: i computer quantistici utilizzano qubit in sovrapposizione per esplorare simultaneamente un gran numero di soluzioni. La riduzione degli errori di calcolo rimane la principale sfida. A giugno 2025, un team dell’Università di Oxford ha riportato un’operazione su un qubit ionico con un errore particolarmente basso, ma le porte a due qubit rimangono più difficili da padroneggiare.
- Comunicazioni quantistiche: la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) sfrutta l’intreccio per rilevare qualsiasi tentativo di intercettazione. La NATO considera ora le tecnologie quantistiche come una questione di preparazione operativa e la sua tabella di marcia include la sperimentazione di questi sistemi.
Il divario tra gli annunci e la realtà operativa rimane significativo. La precisione di un esperimento isolato non è sufficiente a dimostrare un computer quantistico tollerante agli errori. Ogni progresso risolve un problema tecnico e ne rivela un altro.
Crittografia post-quantistica: proteggere i dati prima della minaccia
Un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe rompere gli algoritmi di crittografia asimmetrica utilizzati per garantire la sicurezza degli scambi online. Questa prospettiva, anche se lontana, spinge le agenzie di sicurezza a preparare la transizione verso algoritmi resistenti.
Il rischio non riguarda solo il futuro. Dati crittografati oggi potrebbero essere memorizzati da un attaccante e poi decrittografati in seguito, una strategia nota come “raccogliere ora, decrittografare più tardi”. La migrazione verso la crittografia post-quantistica è iniziata prima che la minaccia fosse operativa, proprio per questo motivo.
La fisica quantistica ha trasformato la comprensione del mondo microscopico in meno di un secolo. Le sue applicazioni tecnologiche progrediscono a scaglioni, ognuno limitato da ostacoli ingegneristici concreti. I sensori, le comunicazioni sicure e il calcolo quantistico avanzano su calendari distinti, con livelli di maturità che gli annunci mediatici tendono a livellare.
