La meccanica quantistica alla base del funzionamento dei computer del futuro

QuantiLa tecnologia si sta avvicinando al livello microscopico nel quale dominano le leggi quantistiche, un settore di ricerca da anni attivo alla Scuola Normale con il progetto Teoria di superfluidi in bassa dimensionalità, coordinato e diretto dai professori Mario Tosi e Rosario Fazio.

di Andrea Pantani

Con il perdurare della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici la tecnologia si sta avvicinando al livello microscopico nel quale dominano le leggi quantistiche. Nel futuro scienziati e ricercatori sostengono che il calcolo sarà effettuato interamente a livello atomico. Un singolo elettrone o un singolo atomo potranno essere sufficienti per immagazzinare un bit, o anche più di un bit, per la trasmissione dei dati. Da qualche anno un equipe di lavoro coordinata dal prof. Mario Tosi e Rosario Fazio, rispettivamente docenti di Struttura della materia e di Superconduttività alla Scuola Normale Superiore, sta studiando questo settore di ricerca, ovvero i principali fenomeni e le possibili applicazioni che ruotano intorno ai fluidi quantistici confinati.

Mario tosi“L’idea è quella di lavorare in un campo estremamente attivo – spiega il prof. Tosi -. Il progetto, che si chiama Teoria di superfluidi in bassa dimensionalità, è di grande interesse non solo per quanto riguarda la fisica di base, ma anche per le possibili applicazioni tecnologiche. La ricerca nell’ambito dei superfluidi in bassa dimensionalità prospetta, in particolare, importanti sviluppi in settori quali i calcolatori quantistici. Non è fantascienza pensare che da qui al 2020 la tecnologia utilizzata per far funzionare gli elaboratori elettronici si baserà sui sistemi che stiamo studiando. Anche perché, tra l’altro, garantiscono un completo grado di riservatezza durante la trasmissione dei dati”.

Il progetto, già attivo negli anni Novanta con la partecipazione dell’INFM (Istituto Nazionale di Fisica della Materia), è al momento interamente a carico della Scuola, che ha deciso di dedicarvi appositi fondi per finanziare posti per ricercatori a contratto e assegnisti. Il primo ottobre 2005, a Cortona, si è svolto il terzo convegno internazionale organizzato in questi anni per illustrare il progresso in questo campo di ricerca, al quale hanno partecipato ricercatori ed esperti provenienti da centri e università di tutto il mondo.

“Oltre alle applicazione tecnologiche – prosegue Tosi -, un altro obiettivo del progetto è quello di studiare le connessioni tra la fisica dei gas ultrafreddi e fenomeni di interesse cosmologico. Uno studio possibile per il fatto che i sistemi, ultrafreddi e ultrapuliti, possono ricreare in laboratorio le condizioni fisiche alla base delle teorie elaborate dagli astrofisici per spiegare i misteri dell’universo, come ad esempio il formarsi dei Buchi neri”.

Alla base della ricerca c’è il recente sviluppo delle tecniche di intrappolamento e nanofabbricazione. “Lo studio – presegue il prof. Mario Tosi -, verte in particolare sui condensati atomici di Bose-Einstein, trappole magnetiche e reticoli ottici. Per gli isotopi bosonici, saranno fondamentali i risultati delle ricerche di Cornell, Ketterle e Wieman; il raffreddamento di isotopi fermionici è uno dei più attuali temi di ricerca nel campo”.

Tre le tematiche al centro del progetto.

Studiare i Grani superconduttivi : a quest’ambito sono legate questioni molto importanti nella fisica dei sistemi mesoscopici, riguardanti la modifica delle proprietà di condensazione al diminuire delle dimensioni del sistema, e di conseguenza il ruolo sempre più importante giocato dalle fluttuazioni quantistiche.

Analizzare i Reticoli di giunzioni Josephson : si studieranno le possibili transizioni di fase (classiche e quantistiche) nei sistemi a bassa dimensionalità, insieme ai fenomeni di frustrazione (cioè modulazioni di campo volte a modificare le proprietà di transizione) e di vortice (eccitazioni topologiche del sistema).

Infine studiare la Computazione quantistica : i calcolatori quantistici basati su nanocircuiti superconduttivi hanno caratteristiche molto promettenti. Essi offrono, infatti, di combinare in modo semplice ed efficace i vantaggi della coerenza macroscopica dei superconduttori e la tecnologia avanzata della nanofabbricazione.

Oltre ai professori Tosi e Fazio partecipano al progetto Pablo Capuzzi, Fabio Taddei, Marco Polini, Patrizia Vignolo, Francesco Plastina.

Per approfondimenti

  • Minguzzi A., Succi S., Toschi F., Tosi M.P. e Vignolo P., Numerical methods for atomic quantum gases , «Phys. Rep.» 395 223 (2004).
  • Polini M., Fazio R., MacDonald A.H. e Tosi M.P., Realization of fully frustrated Josephson-junction arrays with cold atoms , «Phys. Rev. Lett.» 95 010401 (2005).