International Year of Quantum Science and Technology, 2025 - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

La meccanica quantistica è una teoria fisica che rappresenta una grande rivoluzione sia nel pensiero scientifico sia nella nostra visione della realtà e dell’universo di cui facciamo parte. Permette di descrivere la maggior parte dei fenomeni oggi sperimentalmente osservati, nel mondo microscopico delle particelle elementari, oppure nel mondo macroscopico, come ad esempio le proprietà dei superconduttori. Ha già inciso profondamente sulle nostre vite portando allo sviluppo di tecnologie come transistor e laser che funzionano sulla base delle proprietà quantistiche dei semiconduttori e della radiazione elettromagnetica. Queste applicazioni e le nuove tecnologie di seconda generazione che si stanno sviluppando oggi sono un esempio iconico e affascinante di come la ricerca fondamentale possa portare, in un intervallo di tempo non prevedibile che a volte può essere anche molto lungo, a sviluppare applicazioni di grande impatto. Tecnologie capaci di innescare una vera rivoluzione, come è accaduto, ad esempio, nell’800 per l’elettricità, che ha cambiato per sempre la nostra vita quotidiana. E come potrebbe accadere ora per le nuove frontiere del calcolo e delle simulazioni quantistiche.

Copertina della rivista Asimmetri n. 33 [quanti], ©INFN

Alla meccanica quantistica è dedicato il numero 23 della rivista istituzionale dell’INFN, Asimmetrie, dal titolo Quanti, pubblicato nel 2022, anno del premio Nobel a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger per i loro esperimenti sui fotoni entangled, che hanno permesso di stabilire la violazione delle disuguaglianze di Bell e hanno così aperto la strada alla scienza dell’informazione quantistica.

LA RICERCA TECNOLOGICA SUL QUANTUM: UNA SFIDA EMOZIONANTE

Gli ultimi anni hanno visto, a livello internazionale, un crescente aumento dell’attenzione e degli investimenti in promettenti tecnologie quantistiche emergenti come, ad esempio, le nuove generazioni di sensori, la crittografia, l’imaging quantistico, lo studio dei componenti dei nuovi computer quantistici come i qubit, il calcolo e le simulazioni quantistiche: applicazioni che potrebbero avere effetti rivoluzionari su alcuni aspetti della nostra vita quotidiana.

Per saperne di più sulle tecnologie emergenti: www.asimmetrie.it.

L’istituto Nazionale di Fisica Nucleare è coinvolto in varie attività di ricerca e sviluppo in questo ambito come il progetto Superconducting Quantum Materials and Systems Centre (SQMS) al Fermilab (Chicago, USA) per lo sviluppo di sensoristica e computer quantistici. Il Centro SQMS finanziato dal Department of Energy degli USA ha l’ambizioso obiettivo di progettare e costruire il più potente computer quantistico mai realizzato, uno sforzo collaborativo che coinvolge 20 istituzioni tra cui l’INFN, unico partner non statunitense. Una delle sfide fondamentali che i ricercatori e le ricercatrici stanno affrontando è come estendere la durata dei qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Le cavità superconduttive a radiofrequenza (SRF), originariamente sviluppate per gli acceleratori di particelle, hanno già trovato impiego con successo nel settore dell’informatica quantistica, dimostrando di essere efficaci nell’estensione della vita dei qubit. Inoltre, il Centro SQMS svilupperà nuovi sensori quantistici, che potrebbero trovare impiego anche in esperimenti di fisica fondamentale per la ricerca della materia oscura e di altre particelle subatomiche sfuggenti. Nell’ambito del progetto, l’INFN realizzerà nei suoi Laboratori Nazionali del Gran Sasso un laboratorio per i test dei qubit in ambiente a bassissima radioattività.

Anna Grassellino con il superconduttore RF Cavity al Fermilab. ©FERMILAB, Reidar Hahn

A livello europeo l’Istituto partecipa al programma QUANTERA dell’Unione Europea: un network che riunisce 41 istituti di ricerca di 31 paesi che si dedicano al progresso della ricerca di alta qualità e all’innovazione nel campo delle tecnologie quantistiche.

A testimonianza dell’importanza scientifica ed economica della ricerca sul quantum computing e sulle tecnologie ad esso associate, in concomitanza del G7 Scienza organizzato lo scorso luglio nell’ambito della Presidenza Italiana del G7, al Tecnopolo di Bologna, divenuto il centro di riferimento nazionale del supercalcolo, è stato creato, su iniziativa del MUR e del MIMIT, un tavolo di lavoro per discutere della futura strategia italiana del quantum computing. In contemporanea è stata siglata anche la Bologna Quantum Alliance (BoCA), un’intesa che riunisce una cordata di enti di ricerca con sede in Emilia-Romagna che si sono impegnati a lavorare in modo sinergico in ricerca e sviluppo su big data, supercalcolo, intelligenza artificiale e quantum computing.

Centro Nazionale di Calcolo CNAF - INFN. ©INFN, Roberto Giacomelli

Per quanto riguarda i progetti e le iniziative avviate nell’ambito del Piano Nazione di Ripresa e Resilienza (PNRR), l’INFN è l’ente proponente del Centro Nazionale ICSC per supercalcolo, big data e quantum computing e partecipa al partenariato esteso NQSTI su calcolo e tecnologie quantistiche. Il centro ICSC di Bologna è una fondazione, con sede a Bologna, che svolge attività di ricerca e sviluppo, a livello nazionale e internazionale, per l’innovazione nel campo delle simulazioni, del calcolo e dell’analisi dei dati ad alte prestazioni. È organizzato in una struttura di tipo hub e spoke. Tra questi, lo Spoke 10 è dedicato al quantum computing e ha come missione principale il superamento di alcune sfide legate all’affidabilità dei componenti e alla complessità di programmazione dei computer quantistici, problemi che risulta fondamentale risolvere per permettere un utilizzo pratico dei calcolatori quantistici. Nell’ambito di questa linea di ricerca è stato recentemente realizzato un prototipo di computer quantistico a superconduttori.

Il National Quantum Science and Technology Institute (NQSTI) è un progetto finanziato dal PNRR per la creazione di un hub consortile dedicato alla ricerca nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche. In particolare, l’obiettivo scientifico di NQSTI si concentra sulla ricerca e sviluppo a livello di “proof of concept” sperimentale in laboratorio, nel campo delle scienze, delle tecnologie quantistiche per applicazioni radicalmente innovative nel sensing, nella comunicazione sicura e nell’elaborazione della informazione quantistica e nella simulazione. L’obiettivo a medio-lungo termine è costituire una realtà nazionale di natura consortile che raccolga tutte le istituzioni attive nelle scienze e tecnologie quantistiche, che garantisca la competitività dell’Italia in questo importante settore scientifico tecnologico. L’INFN partecipa attivamente alle attività degli Spoke 3 “Atomic and molecular platforms for quantum technologies”, 4 “Photonic platform for quantum technologies”, 6 “Integration of platforms”, 8 ”Technology Transfer” e 9 “Education and outreach”.

A Trento, dove si trova il ha sede il centro nazionale TIFPA dell’INFN, l’Università di Trento, la Fondazione Bruno Kessler e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare collaborano al laboratorio Q@TN che si propone come un polo di riferimento della ricerca e della tecnologia del quantum a livello italiano ed europeo. Il laboratorio Q@TN copre l’intera filiera dell’innovazione, dalla formazione universitaria, con un programma transdisciplinare di dottorato in Quantum Sciences and Technologies, allo sviluppo di nuovi dispositivi fino alla prototipazione di sistemi pronti per l’industrializzazione nei settori del supercalcolo, delle comunicazioni sicure e per la sensoristica.

I PROGETTI INFN PER LA RICERCA TECNOLOGICA E INTERDISCIPLINARE

Dal 2020, l’INFN promuove le tecnologie quantistiche finanziando attraverso la sua Commissione Scientifica Nazionale 5 progetti dedicati alle ricerche tecnologiche e interdisciplinari in questo settore. Si tratta di attività altamente diversificate e qualificate in grado di costituire in futuro una rete interdisciplinare per la realizzazione di dispositivi avanzati che possano essere poi utilizzati in vari settori di interesse per l’INFN.

Ad oggi molti progetti diretti da giovani ricercatori e ricercatrici hanno permesso di arricchire le competenze dell’ente in settori prevalentemente legati alle tecnologie per il calcolo e per il sensing quantistici. Progetti come QUANTEP, DARTWARS e QUBIT stanno gettando le basi per la realizzazione di dispositivi quantistici utili sia alla realizzazione di qubit, sia alla rivelazione di fotoni con sensibilità superiori ai limiti classici dei rivelatori attualmente disponibili. Questi progetti hanno dato l’avvio a una linea di ricerca in continuo sviluppo con numerosi progetti all’attivo. Tra questi esperimenti come UNIDET, per la produzione di rivelatori integrati di singolo fotone, QUISS, per la ricostruzione di immagini oltre il limite quantistico, MOONLIGHT, per lo sviluppo di protocolli quantistici e T4QC, per la realizzazione di qubit ottici table-top. E nel 2024 QURE, per lo studio degli effetti della radiazione su qubit, SQUEEZE per la realizzazione di sensori integrati per le antenne gravitazionali e QUARTET, per la realizzazione di architetture di simulazione quantistica di fenomeni fisici. A fianco di questi progetti, la Commissione Scientifica Nazionale 5 finanzia assegni e progetti di giovani ricercatori come RESILIENCE, per la realizzazione di rivelatori innovativi di singolo fotone nello spettro delle microonde, ACESUPER_Q, per l’uso di qubit come rivelatori underground di raggi cosmici, QUTE_FDS, per la produzione di sensori a luce squeezed per antenne gravitazionali di grandi dimensioni come, ad esempio, il futuro Einstein Telescope. Infine, da diversi anni sono finanziate attività volte a realizzare centri di colore in diamante per la realizzazione di sensori quantistici come DIESIS, ASIDI, TEMPURA.

LA RICERCA TEORICA: L’ENTANGLEMENT QUANTISTICO

Ricercatrici e ricercatori dell’INFN, e associati, sono impegnati in attività teoriche focalizzate sia su aspetti di fondamento della meccanica quantistica sia su aspetti più applicativi, con importanti implicazioni nel settore dell’informazione e computazione quantistica. Queste attività sono svolte nell’ambito della Commissione Scientifica Nazionale 4 dedicata appunto alla ricerca in fisica teorica.

Tra le principali questioni di fondamento studiate, ricordiamo il problema della transizione tra regime quantistico e classico, l’entanglement, come proprietà che contraddistingue il mondo quantistico, e la non località, la relazione tra gravitazione e leggi quantistiche, lo studio di nuovi test sperimentali delle leggi quantistiche e di modelli alternativi alla meccanica quantistica.

L’entanglement quantistico riveste un ruolo di cruciale importanza, con importanti connessioni con la teoria dei sistemi complessi e con la teoria dell’informazione. Di particolare interesse è il campo della simulazione quantistica, che permetterebbe di affrontare problemi che non possono essere trattati con simulazioni “classiche”, con potenziali applicazioni in svariati settori, come per esempio la fisica delle alte energie, le teorie di gauge su reticolo, le transizioni di fase quantistiche e topologiche, i sistemi quantistici che presentano comportamenti analoghi alla gravità in regimi di campo forte, come nel caso dei buchi neri.

Nel campo della computazione quantistica vengono studiate tecniche per la correzione degli errori dovuti essenzialmente alla perdita delle proprietà di coerenza, un problema centrale nello sviluppo dei qubit, che sono al cuore dei computer quantistici. I progetti di riferimento per queste tematiche sono BELL e QUANTUM.

LE INIZIATIVE PER IL PUBBLICO: IL FASCINO DEL QUANTO

Oltre all’impegno nella ricerca, negli ultimi anni l’INFN anni ha dedicato al tema della meccanica quantistica alcune importanti iniziative per il pubblico e per le scuole, tra cui una mostra che ha visto oltre 100.000 visitatori e visitatrici realizzata dall’INFN e dal Museo delle Scienze di Trento MUSE dal titolo: QUANTO. LA RIVOLUZIONE IN UN SALTO.

La mostra, ricca di installazioni immersive, video ed exhibit racconta la meccanica quantistica e la rivoluzione che ha portato nel pensiero scientifico, nella cultura e nello sviluppo tecnologico attraverso un percorso scandito da cinque tappe che conducono i visitatori dall’universo classico dell’800 al cosmo come lo conosciamo oggi.

Inoltre, in occasione della mostra è stata realizzata una serie di dirette Facebook dal titolo QUANTO NE SAI che abbiamo raccolto sul nostro canale YouTube tra cui segnaliamo la diretta Quanto è quantistico il cosmo.

Inaugurazione della mostra "Quanto" al Muse di Trento

Per le scuole segnaliamo il percorso didattico pubblicato da ScienzaPerTutti il sito di divulgazione dell’INFN dedicato al mondo della scuola e l’intervista su didattica e meccanica quantistica pubblicata sul portale dedicato al public engagement “Collisioni”.

Infine, per scienza e teatro, segnaliamo due conferenze spettacolo realizzate rispettivamente per il Festival delle Scienze di Roma (2022) e per il Festival della Scienza di Genova (2024):

Quanto è quantistico il cosmo?, Festival della Scienza di Genova 2024;

Quanto. La parola che ha cambiato la fisica, Festival delle scienze di Roma 2022.

a cura di Ufficio Comunicazione INFN – COMUNICAZIONE ISTITUZIONALE E MEDIA