fisica quantistica

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Potrà apparire totalmente decontestualizzato, ma mentre leggevo Menti, macchine e multiverso di Julian Brown mi sono imbattuta in alcune righe che per me sono state particolarmente evocative: vorrei condividerle con voi.

[...] Alice deve procedere nel modo seguente: innazitutto, effettua una misurazione congiunta sulla particella di Carlo e sulla sua particella entangled. Poi telefona a Bob e gli comunica i risultati della misurazione. A seconda dell’informazine che riceve , Bob sottopone la sua particella entangled a una delle quattro operazioni possibili. Dopo l’operazione, la particella entangled è miracolosamente nello stesso stato della particella originale di Carlo. Ora, poichè la misurazione effettuata da Alice disturba lo stato delle sue particelle, la sua copia dello stato quantistico di Carlo viene inevitabilmente distrutta. Quindi Alice, in realtà, ha teletrasportato la particella di Carlo là dove si trova Bob. Si noti che a essere teletrasportato è soltanto lo stato quantistico della particella originaria, non la particella vera e propria [...] . Le particelle, dopo tutto, si possono considerare semplicemente come un mezzo per esprimere l’informazione quantistica.”

-  Menti, macchine e multiverso

Julian Brown

In altre parole, siamo fatti di informazione.

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Piccola premessa: temo di non essere assolutamente in grado di poter scrivere una vera recensione di questo libro sia per la difficoltà (e l’ampiezza) degli argomenti sia per lo stupore da cui devo ancora riprendermi totalmente. Tuttavia, proprio a causa di quest’ultimo, mi sento in dovere di scrivere qualcosa che probabilmente dovrebbe chiamarsi Pensieri sparsi di una lettrice stupita in un multiverso fantascientifico.

Cominciamo dall’autore: David Deutsch è, come potreste facilmente scoprire su Wikipedia, un fisico israeliano che attualmente lavora ad Oxford, in un notissimo laboratorio che si occupa di Computazione Quantistica. E’ un frequentatore di The Edge ed è forse più noto in Italia proprio per il suo libro “La trama della realtà”. Il primo impatto che ho ricevuto è che sicuramente David Deutsch ha conoscenze in molti campi al di fuori della fisica quantistica (è uno dei fondatori della computazione quantistica) : conosce molto bene la teoria del gene egoista di Dawkins e i suoi critici e si muove con disinvoltura tra Popper e Kuhn.

Il capitolo Ombre inizia subito con il far traballare alcune certezze. Chi si occupa di fisica quantistica, o in generale di fisica, di solito ha già sentito parlare di esperimenti con un numero variabile di fenditure attraverso le quali passano uno o più fotoni. Ebbene, non so quanti appassionati di fisica abbiano sentito parlare della teoria dell’autore secondo il quale, il ben noto (beh, insomma…noto forse non sarà il termine esatto, ma perlomeno familiare) fenomeno dell’interferenza sarebbe dovuto a fotoni ombra che giungerebbero da altri universi. Di primo acchito, ero molto scettica, ma di fronte alla sua logica, non saprei formulare una critica dotata di senso. Inoltre bisogna dire che la nostra “spiegazione” dell’esperimento delle fenditure bada più a prevedere i risultati dell’esperimento che non a spiegare veramente che cosa ci sia dietro.

E questo discorso della spiegazione è uno dei motivi che incontriamo in tutto il libro. Fa riflettere: nella scienza moderna spesso una teoria “va bene” perchè prevede in risultati, anche se non spiega veramente il perchè delle cose. Secondo Deutsch ciò è dovuto al fatto che non integriamo bene le nostre conoscenze e , anche, che esse non sono complete.

L’autore sostiene che la trama della realtà, vale a dire una teoria del tutto, ma una vera teoria del tutto non semplicemente una teoria che descriva anche se perfettamente il mondo microscopico (la fisica delle particelle per intenderci), sia costituita (contro ogni possibile forma di riduzionismo) da quattro fili: la teoria dell’evoluzione di Darwin-Dawkins, l’epistemologia (una teoria della conoscenza), una teoria della computazione e la meccanica quantistica. Dedica di fatto gran parte dell’opera a spiegare come interagirebbero queste quattro teorie, a illustrare perchè siano fondamentali e a divulgare le conseguenze di quest’idea. Non pensa di stare scrivendo un libro rivoluzionario, crede soltanto che queste teorie del presente non siano ancora correttamente integrate.

In quest’ottica si cerca di dare risposte a domande tradizionali per esempio che cosa sia esattamente il tempo (in un capitolo di tutt’altro che semplice lettura), se siano possibili viaggi nel tempo e quale sia il destino della vita (intesa come l’insieme dei viventi) e dell’Universo, il significato della matematica e dell’idea di dimostrazione. Viene anche accennata la teoria del punto omega di Frank Tipler, argomento che decisamente devo approfondire, e viene anche trattata abbastanza in profondità la teoria del multiverso di Hugh Everett.

Alla fine di tutto, vorrei consigliare a tutti questo libro se non altro perchè presenta una visione della realtà piuttosto diversa a quelle a cui si può essere abituati. Non è una lettura facile a mio parere, ma merita la giusta concentrazione e tanta voglia di pensare e discutere su quanto scritto. Per questo mi piacerebbe che se qualcuno che ha letto questo lavoro, scriva due parole nei commenti, anche perchè non ho trovato molta critica in lingua italiana in merito.

Lascio qualche link a commenti in lingua inglese che ho reperito online:

Recensione di Henry Sturman

Recensione di Bryce DeWitt

P.s. Nel caso trovaste qualunque tipo di errore oppure frasi prive di senso logico non esiti a scrivere!

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“Lloyd, la smetta di occuparsi di queste stramberie e inizi a lavorare su qualcosa che per noi abbia un senso.Altrimenti la cacciamo dalla Rockfeller”

Un docente dell’autore citato nel libro in questione

E’ difficile scrivere in merito a questo libro perchè è un libro controverso, dibattuto, ma innegabilmente potente nella sua originalità.

E’ uno scritto controverso perchè propone un cambiamento di paradigma drastico, netto, evidente e come la storia della scienza insegna testi del genere generano sempre un dibattito, più o meno acceso e rispetto a molte battaglie quella di Seth Lloyd sembra addirittura sottotono.

Va bene, facciamo un passo alla volta. Il paradigma scientifico a cui siamo oramai abituati dopo secoli di scienza Occidentale è quello dell’Universo come macchina, come un marchingegno di cui smontiamo, come dei bambini curiosi, ogni singolo pezzo per analizzarlo. L’idea è che compreso ogni singolo pezzo arriveremo ad una comprensione globale del cosmo. Questa filosofia pareva essere stata messa parzialmente in crisi dalla meccanica quantistica, ma di fatto è quella che vediamo in giro, quella che sta alla base della nostra tecnologia e del nostro modo di pensare.

In questo libro viene proposto di pensare all’Universo non più come ad una macchina molto complicata, ma come ad un computer, un computer quantistico. Una buffonata? Forse dite così perchè dobbiamo rivedere la nostra idea di computer, leggiamo Wikipedia:

A computer is a machine that manipulates data according to a list of instructions.

E quindi? Quindi un computer può anche non essere il portatile che avete sulle ginocchia o la scatola grigia che c’è qui per terra, ma è una qualsiasi macchina che manipola dati seguendo una lista di istruzioni. Se estendiamo leggermente la definizione, e facciamo ciò soltanto per non finire nel dibattito in corso (e di cui prossimamente quasi di sicuro si parlerà) in merito a che cosa sia una macchina e che cosa non lo sia, un computer è sostanzialmente qualcosa che elabora o manipola dati. Perciò un bambino che fa la prova del nove sul suo quaderno può essere visto come un computer (anche se può essere riduttivo). E già si nota che la questione non appare più assurda come poteva sembrare ad un primo acchito.

Ho accennato però al fatto che si tratta di un computer quantistico e qui si potrebbero (e si dovrebbero) scrivere post su post in merito.  Per brevità mi limito a dire che è una macchina che sfrutta caratteristiche peculiari della materia a livello microscopico e che ha capacità di calcolo decisamente migliori di quelle dei computer tradizionali. Mi limito a dire che è stato ipotizzato e che piano piano se ne stanno costruendo alcuni prototipi che però sono piccoli (pare che il problema sia costruire computer quantistici sempre più grandi). Un computer quantistico usa le  interazioni tra particelle per computare e l’Universo è costituito da interazioni tra particelle fondamentali: il parallelismo sembra reggere. I due sistemi vengono dimostrati (nel libro) essere logicamente equivalenti. L’Universo elaborerebbe sostanzialmente se stesso (e questo mi ricorda molto Aristotele quando parlava di Dio come di puro Pensiero di Pensiero).

Ma cosa comporta tutto questo? E soprattutto perchè ci sarebbe bisogno di questo nuovo paradigma?

La risposta alla prima domanda è interessantissima: tutto questo porta ad un nuovo modo di descrivere l’Universo tramite sì le leggi della fisica, ma tramite una loro versione legata all’informazione oltre che all’energia. Per quanto riguarda la seconda domanda dobbiamo tornare alla “vecchia fisica” quella che descrive l’Universo come macchina e vedere perchè, dati i progressi fantastici a cui si è arrivati grazie ad essa, forse è meglio cambiare. Uno dei nodi centrali della fisica contemporanea è costituito da una serie di tentativi di conciliare la meccanica quantistica conl a descrizione relativistica della gravità in una grande unica Teoria del tutto. Ebbene questo obiettivo ad oggi pare che non sia stato raggiunto e invece ragionando nei termini del nuovo paradigma pare che la soluzione al problema non sia così distante.

Inoltre ragionando in termini di Universo come computer quantistico si avrebbe una spiegazione dell’affascinante, ma difficile da spiegare fenomeno della complessità che circonda totalmente la nostra esistenza dal mistero dell’Universo, a quello della vita passando per il cervello umano e la riproduzione sessuata.

Un libro quindi che potrebbe segnare la storia della scienza, oppure no, ma che merita comunque di essere letto vista la varietà degli argomenti presentati (si spazia parecchio tra cosmologia, fisica fondamentale, teoria dell’informazione e qualche sprazzo di biologia) e l’originalità delle ipotesi.

Per approfondire: un’intervista a Seth Lloyd e la pagina web dedicata al libro

a.d.p.

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E’ difficile per me scrivere qualcosa di introduttivo e per giunta razionale e sobrio in merito a questo argomento. Questo perchè la crittografia quantistica è stato uno dei pochi argomenti su cui ho scritto qualcosa di serio ( per quanto seria possa essere una tesina di maturità ) dedicandovi tantissimo tempo ed attenzione al punto tale che è per me una specie di presenza. Ma se dovessi convincere qualcuno del fatto che la crittografia quantistica merita il suo interesse credo che muoverei due argomentazioni: la prima è che presto farà parte delle nostre vite, quando non lo fa già; la seconda è che è una delle cose più affascinanti di questa terra. In altre parole, come forse avrete già sentito

Quantum physics seems to be the “magical” form of physics, and its application to cryptography even more magical.
Christopher B. Brown

Siccome questo post vuole essere introduttivo non ci troverete i dettagli, ma un’infarinatura generale corredata di collegamenti per approfondire.

Anzitutto credo sia importante dire che l’espressione crittografia quantistica non rende bene l’idea di che cosa si tratti. Infatti sarebbe più corretto parlare di QKD : Quantum Key Distribution infatti tutte le tecniche in questione (o almeno quasi tutte) si occuperebbero di scambiare in modo sicuro le chiavi tra due utenti i quali potrebbero in seguito utilizzarle per una cifratura One time pad.
Sostanzialmente (e brevemente) una parte degli algoritmi in questione sfrutta le proprietà curiose e controintuitive che la luce presenta a livello microscopico e l’altra sfrutta proprietà per certi versi simili degli elettroni.

In generale si sono sviluppati due principali protocolli: il BB84 e il protocollo di Ekert. Per brevità in questo post descriverò solo il protocollo BB84, promettendo che in seguito vedrete qualcosa sul protocollo di Ekert. In questa descrizione darò per scontato che il vostro sguardo, di fronte a termini come polarizzazione e fotoni non si perda nel vuoto, ma ho comunque inserito tutti i collegamenti per capirne di più.

In generale in crittografia per indicare le due parti che devono comunicare segretamente si usano i nomi di Alice e Bob, mentre con Eva si indica un terzo incomodo che cerca di origliare la conversazione dei nostri eroi. Questi desiderano costruire una chiave costituita da una serie di bit per potersi trasmettere messaggi usando il blocco monouso. Per fare ciò entrambi dispongono di una coppia di polarizzatori (uno diagonale e uno verticale) e di un certo numero di fotoni che non sono polarizzati. I fotoni verranno inviati tramite un canale pubblico (ed è qui che sta la rivoluzione).

Alice inizia la trasmissione inviando una successione di fotoni scegliendo a caso come polarizzarli (0° e 180° con il polarizzatore lineare e 45° e 135° con il polarizzatore diagonale). Bob riceve questi fotoni e per ognuno di essi decide di nuovo casualmente se misurarne la polarizzazione con un polarizzatore verticale o diagonale , annotando i risultati delle misurazioni.

Bob annuncia pubblicamente quale tipo di polarizzazione ha usato per ogni fotone e Alice gli risponde, sempre pubblicamente, dicendogli se ha eseguito la misurazione esatta. A questo punto per quanto riguarda i fotoni per cui gli utenti hanno usato lo stesso filtro i risultati coincidono, mentre gli altri vengono scartati. I risultati delle misurazioni non scartate costituiscono perciò la chiave di cui avevamo bisogno.

Immaginiamo che una curiosissima Eva decida di utilizzare l’attacco Man in the Middle: non sa, come del resto non lo sa Bob, che tipo di polarizzazione usare perciò tira ad indovinare. Misurando però modificherà, come ci insegna la meccanica quantistica, la polarizzazione dei fotoni rischiando di venire scoperta. Infatti Alice e Bob, per evitare scocciature scelgono alcuni fotoni, dette sentinellei cui risultati saranno dichiarati pubblicamente per controllare la sicurezza del canale. Nel caso in cui verificassero che il canale è sorvegliato, possono semplicemente scegliere di usarne un altro, vanificando il lavoro di Eva.

Per saperne di più:

Crittografia quantistica (tesina di maturità)
Pagina web di Vadim Makarov (molto materiale)
Cam Qubit (una miniera d’oro)
Bibliography of Quantum Cryptography (un po’ vecchiotta, ma sempre valida)

Per altro materiale rimando alla bibliografia contenuta nel primo link.

a.d.p.

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