La lezione del fisico Massimo Inguscio all’Accademia dei Lincei inaugura l’Anno Internazionale della Fisica Quantistica: dagli atomi la misura del tempo e i poteri del super-calcolo.
Ora esatta anche sulla Luna
di Silvia Bandelloni
(pubblicato su lastampa.it/tuttoscienze l’8 gennaio 2025, aggiornato)
La scienza ha sempre bisogno dei suoi tempi per dimostrare la propria esattezza e dare una svolta innovativa alle nostre vite. Talvolta nasce come una corrente di pensiero per poi divenire fonte di nuove tecnologie. È il caso della meccanica quantistica, che quest’anno compie 100 anni.
Il 2025, ufficialmente riconosciuto come l’Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica, porterà un programma di iniziative e conferenze sul tema, a cui parteciperanno diversi Premi Nobel, noti per aver contribuito allo sviluppo di questa scienza, nata un secolo fa. E ad aprire questo anno è stata la lezione che il 12 gennaio 2025, alle 12, all’Accademia Nazionale dei Lincei, ha tenuto Massimo Inguscio, fisico atomico attivo nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche. La lezione, dal titolo “Che ore sono sulla Luna? Atomi nella luce: misura del tempo e calcolo quantistico”, si è focalizzata proprio su come uno strumento teorico – la meccanica quantistica all’inizio del XX secolo – possa dare vita a sorprendenti innovazioni tecnologiche: per esempio, il laser, che ha permesso di indagare la materia a livello atomico in maniera sempre più precisa e accurata. E non solo.
Le proprietà quantistiche della materia, secondo cui gli atomi saltano da un gradino all’altro sulla scala dell’energia, sono anche alla base della misura del tempo. “Questi salti che possono avvenire con frequenze di oscillazione ben definite costituiscono la base per misurare il tempo con una precisione mai vista prima – spiega Inguscio, già presidente dell’Inrim e del Cnr, membro dell’Accademia Nazionale dei Lincei e professore emerito al Campus Biomedico di Roma – Parliamo degli orologi atomici, che sfruttano le oscillazioni della luce assorbita o emessa dagli atomi, passando da un livello all’altro di energia”. Ma, a temperatura ambiente, gli atomi si muovono alla velocità di centinaia di metri al secondo. A farli saltare, quindi, in maniera controllata da un gradino all’altro dell’energia, è ancora una volta la meccanica quantistica, che consente di rallentarne il moto fino a pochi millimetri al secondo, portandoli a temperature di 273°C sotto lo zero.
“È possibile così realizzare un condensato previsto dalla statistica di Bose-Einstein. In questo modo la meccanica quantistica diventa materia macroscopica e i singoli atomi, quasi fermi, possono essere intrappolati in reticoli di luce per realizzare orologi precisi a un miliardesimo di miliardesimo di secondo. In altre parole, se un orologio atomico avesse iniziato a battere il tempo nel momento del Big Bang, ovvero più di 10 miliardi di anni fa, adesso sbaglierebbe per molto meno di un secondo”, spiega Inguscio. Se, quindi, in origine lo scorrere del tempo si basava sui fenomeni periodici e ciclici naturali, per secoli la misurazione del tempo si è poi basata su congegni creati dall’uomo, come il pendolo o l’orologio al quarzo. E tuttavia, già negli Anni ’50 del XX secolo, con l’invenzione del primo orologio atomico, ci siamo resi conto che per osservare fenomeni periodici non è necessario basarsi su appositi manufatti, perché la natura ha pensato anche a questo. Non più la ciclicità delle stagioni e dei giorni, ma una natura invisibile e immensamente precisa: quella degli atomi.
Se da un lato è estremamente preciso alla minima variazione della gravità, un orologio atomico scandisce il tempo a differenti velocità. “Secondo la dilatazione gravitazionale del tempo, descritta per la prima volta da Einstein poco più di un secolo fa, non esiste un tempo assoluto. Sulla Luna, dove la gravità è minore di quella terrestre, il tempo scorre più velocemente”, osserva Inguscio. Insomma, sapere con precisione “che ore sono” sulla Terra consente la sincronizzazione delle comunicazioni, la sicurezza delle transazioni finanziarie e la navigazione satellitare (come il Sistema Gps). Tuttavia, in vista dei nuovi programmi spaziali, sarà richiesta una definizione accurata del tempo non solo sul nostro Pianeta, ma sulle stazioni spaziali orbitali. L’estrema sensibilità degli orologi atomici di nuova generazione ci dà l’opportunità di sfruttarli come sensori quantistici puntuali di gravità per lo studio della geodesia (ovvero del campo gravitazionale terrestre e degli spostamenti dei poli, delle maree e della crosta) oppure per lo studio dell’orientamento nello spazio e per la ricerca della materia oscura.
“Ma se singoli atomi intrappolati in reticoli di luce servono a misurare il tempo, questi costituiscono anche una sorta di registro di memoria magnetica: per le proprietà della meccanica quantistica, il bit non è solo zero o uno, ma può essere una qualsiasi sovrapposizione di due stati. E questo consente un immagazzinamento illimitato di informazione”, aggiunge Inguscio. La sovrapposizione dei due stati consentirebbe di compiere operazioni in parallelo, aumentando la potenza e la velocità di calcolo del sistema. Parliamo, quindi, di calcolatori quantistici (l’Italia ne sta costruendo uno con Eniquantic), molto più potenti e veloci dei classici calcolatori, potenzialmente in grado di sviluppare algoritmi che seguono logiche diverse e capaci di garantire maggior sicurezza (in caso di intromissione nel canale di comunicazione il sistema verrebbe perturbato, andando a modificare l’informazione).
In 100 anni la meccanica quantistica ci ha dimostrato che da una nuova interpretazione del mondo atomico è nata una scienza che, in seguito, ha prodotto e continua a produrre tecnologia di frontiera. Missioni spaziali, sistemi satellitari, crittografia sono un trionfo della conoscenza umana. Ma, se da un lato la tecnologia emergente ha dimostrato la sua utilità, può anche diventare – come la storia ci insegna – strumento di rivalità tra Paesi. Che cosa ne penserebbe oggi Einstein, padre della meccanica quantistica, che condannò le armi atomiche e che citiamo sia per il suo genio sia per la sua umanità?
