Intervista al capo del Laboratory of Theoretical Physics of Nanosystems e direttore del Center for Quantum Science and Engineering dell’EPFL

Negli ultimi decenni, la meccanica quantistica è uscita dai laboratori per diventare uno dei pilastri delle tecnologie emergenti: dai computer quantistici capaci di affrontare problemi oggi irrisolvibili, ai sensori ultrasensibili per la medicina e l’astrofisica, fino ai sistemi di comunicazione impossibili da intercettare.

Quella che un tempo era considerata una disciplina astratta, confinata alle equazioni che descrivono la struttura degli atomi, è oggi la base di un nuovo paradigma scientifico e industriale che promette di ridefinire il futuro dell’innovazione, dell’economia e, potenzialmente, della società stessa.

La cosiddetta “seconda rivoluzione quantistica” è già in corso: università, governi e grandi aziende stanno investendo massicciamente in ricerca e infrastrutture, consapevoli che il controllo dei fenomeni quantistici aprirà scenari inediti nella simulazione dei materiali, nella crittografia avanzata, nell’intelligenza artificiale e in una vasta gamma di applicazioni ad alto impatto.

In questo contesto, l’École Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) si colloca fra i centri più dinamici d’Europa, grazie a un ecosistema che integra fisica teorica, ingegneria, informatica, materiali e tecnologie dei semiconduttori. Uno dei protagonisti di questa trasformazione è Vincenzo Savona, nato nel 1969 nella città laziale di Sora, oggi professore di fisica teorica, responsabile del Laboratory of Theoretical Physics of Nanosystems e direttore accademico del Center for Quantum Science and Engineering (QSE Center).

Da oltre vent’anni, il docente italiano forma in Svizzera generazioni di studenti e contribuisce allo sviluppo delle basi teoriche che permettono di comprendere, modellare e progettare i dispositivi quantistici del futuro, in un momento in cui le teorie nate un secolo fa stanno diventando la base concreta di nuove tecnologie.

Intervistato da Anne-Muriel Brouet ed Emmanuel Barraud dell’EPFL, Vincenzo Savona offre uno sguardo privilegiato sullo stato dell’arte della ricerca quantistica, sulle sfide ancora aperte e sulle straordinarie prospettive che potrebbero cambiare radicalmente il nostro rapporto con la tecnologia nei prossimi anni.

Come riesce a combina la fisica quantistica e quella classica nella didattica?

“Mi piace ricordare agli studenti che la fisica classica è un ramo della fisica quantistica, e non il contrario. Le teorie quantistiche furono introdotte esattamente cento anni fa, e oggi sappiamo che possono spiegare tutto ciò che accade attorno a noi. Le equazioni che descrivono il nostro ambiente furono scritte nel 1925 e sono ancora perfettamente valide”.

Perché allora insegniamo ancora la fisica classica?

“Principalmente per ragioni pratiche. Le teorie della fisica classica descrivono accuratamente molti processi e sono utilizzate per effettuare calcoli ingegneristici, sviluppare modelli computazionali e spiegare un’ampia gamma di fenomeni. Le equazioni classiche sono più facili da maneggiare rispetto a quelle quantistiche, e quindi adatte a numerose applicazioni. Ma già nel 1900 Max Planck ipotizzò che la fisica quantistica potesse spiegare ciò che le teorie di Newton e Maxwell non riuscivano a chiarire. Nel successivo quarto di secolo altri fisici, tra i quali Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ed Erwin Schrödinger, approfondirono questa idea e svilupparono equazioni oggi considerate fondamentali per la fisica quantistica teorica”.

Un secolo dopo, i teorici del mondo quantistico come lei hanno ancora molto lavoro da fare…

“Assolutamente sì. Ed è proprio questo che rende la fisica quantistica così straordinaria: le sue teorie possono spiegare tutto ciò che è fatto di luce o materia. Ci forniscono una cassetta degli attrezzi molto più ampia rispetto alla fisica classica, anche se non abbiamo ancora imparato a utilizzare tutti questi strumenti. Ci sono processi che sappiamo essere spiegabili con la fisica quantistica, ma per i quali non abbiamo ancora trovato le equazioni corrette”.

Per esempio?

“Una delle sfide maggiori è scoprire una teoria unificata che comprenda la fisica quantistica e la relatività generale di Einstein, che descrive la gravità. Abbiamo fatto molti progressi, ma non ci siamo ancora arrivati. Un altro esempio, molto più vicino alla nostra quotidianità, è la superconduttività ad alta temperatura: non comprendiamo ancora completamente i meccanismi alla base di questa proprietà dei materiali, ma essa trova impiego in molte applicazioni, come la risonanza magnetica”.

Quindi la fisica quantistica non riguarda solo particelle minuscole?

“Si tende a pensare che la fisica quantistica abbia a che fare soltanto con atomi, elettroni e fotoni, ma non è così. Ad esempio, sappiamo che la stabilità della materia dipende dalle leggi quantistiche. Per la fisica classica, gli elettroni orbitanti attorno al nucleo perderebbero energia e collasserebbero sull’atomo in un nanosecondo, provocando l’implosione della materia. Soltanto la fisica quantistica spiega perché ciò non avviene. Su scala più ampia, gli astrofisici utilizzano le instabilità della radiazione cosmica di fondo per osservare segni di fenomeni quantistici risalenti al Big Bang”.

Quali sono le applicazioni di ricerca?

“Ce ne sono molte. All’EPFL stiamo sviluppando applicazioni quantistiche soprattutto nel calcolo, nei sistemi di comunicazione, nella modellizzazione e nel sensing”.

Molti studenti sono attratti da questo campo nonostante la complessità?

“Sì. Il mio corso di master sul quantum computing è molto popolare fra gli allievi. Riceviamo anche molte richieste per progetti di master. Fortunatamente abbiamo contatti con numerosi partner esterni, anche aziende, attraverso il Center for Quantum Science and Engineering, in sigla QSE Center, dell’EPFL, e questo crea opportunità per gli studenti”.

Il Politecnico Federale di Losanna si distingue in questo campo? Se sì, come?

“Senza dubbio. Esso è una priorità della scuola da oltre un decennio e abbiamo assunto quasi una dozzina di nuovi professori. L’apertura del QSE Center nel 2021 è stata un passo decisivo, e l’anno successivo abbiamo introdotto un master in quantum science and engineering che ha ricevuto moltissime candidature. Citerei anche l’Advanced Science Building, che sarà presto costruito e fornirà ai ricercatori attrezzature potentissime. L’EPFL, e la Svizzera in generale, è molto ben posizionata a livello internazionale nelle applicazioni quantistiche che ho citato. La nostra scuola punta molto anche sullo sviluppo di algoritmi quantistici, che troveranno impiego in numerosi ambiti”.

Sviluppare gli algoritmi prima dei computer non è fare le cose al contrario?

“Paragonerei la ricerca sui calcoli quantistici al lavoro pionieristico nell’elettronica degli Anni 40: oggi ne vediamo l’evoluzione. I progressi nei computer quantistici avanzano a ritmo vertiginoso. Gli ingegneri stanno esplorando diversi approcci in parallelo e creando numerosi prototipi. Non sappiamo ancora quale tecnologia prevarrà. Ma ci sono ostacoli chiari da superare, come la correzione degli errori quantistici e lo sviluppo di software specifici per testare questi computer”.

A che cosa serviranno i computer quantistici?

“Non si tratta soltanto di costruire macchine più veloci di quelle attuali: parliamo di un cambio di paradigma nel modo di trattare i dati. Molti calcoli utili non possono essere eseguiti dai computer classici perché richiedono tempi e risorse che crescono in modo esponenziale con la dimensione del problema. I computer quantistici potrebbero eseguire alcune operazioni molto più efficientemente. Per esempio, sarebbero perfetti per creare modelli digitali della materia o per eseguire calcoli di ottimizzazione, dato che possono elaborare grandi quantità di dati simultaneamente. Alcuni fisici, come Zoë Holmes all’EPFL, stanno esplorando il quantum machine learning, che potrebbe migliorare drasticamente le prestazioni dell’intelligenza artificiale”.

L’intelligenza artificiale e il mondo quantistico sono approcci in competizione fra loro?

“Sono sviluppati in parallelo e si alimentano a vicenda, aprendo la strada a progressi incredibili. Gli ingegneri usano l’IA, per esempio, per migliorare il design dei computer quantistici”.

Perché i computer quantistici hanno quell’aspetto così particolare?

“I chip quantistici devono essere raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto, ovvero -273,15 gradi centigradi, in speciali unità di raffreddamento. I dati vengono trasmessi dentro e fuori queste unità tramite microonde, che viaggiano nei tubi che conferiscono ai computer la loro forma caratteristica. Il mio collega Tobias Kippenberg sta lavorando allo sviluppo di trasduttori che possano operare all’interno delle unità di raffreddamento, permettendo così di portare cavi in fibra ottica direttamente nel cuore del sistema. Se ci riuscirà, sarà un enorme salto tecnologico”.

Quando vedremo le prime applicazioni su larga scala?

“Non sarebbe realistico fare previsioni concrete a questo punto. È uno sforzo planetario, altamente collaborativo, come lo fu lo sbarco sulla Luna! Sappiamo che la tecnologia quantistica ha un potenziale enorme, quindi abbiamo il dovere morale di cercare di realizzarlo. Comporterà molti tentativi ed errori, molti falsi inizi, ma impareremo molto da questi errori. Lo considero una sorta di scommessa di Pascal: non abbiamo nulla da perdere nel crederci; quindi, tanto vale fare tutto il possibile per riuscirci”.

La tecnologia quantistica minaccia la crittografia e la sicurezza dei dati?

“Ogni pochi mesi compare una nuova ondata di titoli secondo cui il quantum computing starebbe per distruggere la sicurezza digitale così come la conosciamo, e che entro tre, cinque o dieci anni le macchine quantistiche saranno abbastanza potenti da infrangere l’ossatura crittografica di internet. Ciò significherebbe che tutto, dalle chat WhatsApp alle transazioni con carta di credito, potrebbe diventare pubblico. Il cuore della preoccupazione riguarda la crittografia a chiave pubblica RSA o Algoritmo di Crittografia Asimmetrica, un sistema molto diffuso la cui sicurezza si basa sulla difficoltà di fattorizzare grandi numeri interi, un compito impraticabile per i computer classici. Ma l’algoritmo di Shor, un brillante algoritmo quantistico che in linea teorica può fattorizzare tali numeri in modo esponenzialmente più rapido, potrebbe rendere la RSA inefficace”.

Dovremmo preoccuparci?

“Non lo credo. Primo: la comunità crittografica si prepara a questo scenario da anni. I ricercatori hanno sviluppato un’intera nuova generazione di algoritmi cosiddetti post-quantum, basati su problemi matematici che neppure i computer quantistici riescono a risolvere. Alcuni di questi algoritmi sono già stati approvati come riferimento dal National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti. Se arriverà il momento della verità, sostituire la RSA con un’alternativa post-quantum richiederà, nella maggior parte dei casi, poco più di un aggiornamento software. Secondo: il tipo di computer quantistico necessario per violare una chiave RSA è ancora pura teoria. Le stime suggeriscono che servirebbero circa un milione di qubit di alta qualità, tutti operanti in perfetta armonia. I dispositivi quantistici odierni sono lontanissimi da quella scala, e raggiungere tale uniformità e controllo è una delle sfide tecniche più difficili”.

Come proteggere, in definitiva, la riservatezza dei nostri dati attraverso la inviolabilità delle chiavi RSA?

“Anche se una macchina del genere dovesse emergere, c’è un ultimo dettaglio: risolvere un problema di fattorizzazione difficile non è la stessa cosa che risolvere il problema RSA. I numeri degli algoritmi di crittografia asimmetrica sono costruiti apposta per essere tra i più difficili da attaccare, anche per gli algoritmi quantistici. Quindi no, non siamo condannati. Non ancora, e probabilmente non lo saremo ancora per molto tempo. Il mondo della crittografia sta evolvendo, e il quantum computing, pur con tutto il suo potenziale, non è una forza inarrestabile. Almeno per ora. Io dormo sonni tranquilli. E dovreste farlo anche voi”.

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