Intervista ad Alain Aspect, insignito del Premio Nobel per la Fisica 2022 per i suoi esperimenti con fotoni entangled, che hanno confermato che la meccanica quantistica fornisce una descrizione corretta dell’entanglement, e aperto la strada ai computer quantistici, le reti quantistiche e le comunicazioni quantistiche cifrate
“Se Einstein avesse saputo”[1] dei suoi esperimenti sull’entanglement, avrebbe riconosciuto alla meccanica quantistica la capacità di descrivere il mondo?
Oh, sì, non c’è alcun dubbio, perché i nostri esperimenti mostrano che la meccanica quantistica descrive il mondo anche nelle situazioni più sorprendenti. Se l’avesse saputo, Einstein avrebbe dovuto ammettere che nella sua visione epistemologica del mondo, che chiamiamo “realismo locale”, c’è qualcosa da dover abbandonare. Dopo le nostre verifiche sperimentali, infatti, non è più possibile sostenere contemporaneamente la località e il realismo, bisogna rinunciare ad almeno una di queste due ipotesi. Nell’ultimo capitolo del mio libro cerco di rispondere proprio alla domanda su quale delle due sia più ragionevole abbandonare, ma non posso rivelarvelo qui, per non privarvi del piacere della lettura!
Come racconterebbe l’esperimento che le è valso il Premio Nobel ai non addetti ai lavori?
L’esperimento si basa su una situazione in cui vengono emessi due fotoni in direzioni opposte. Partono dalla stessa sorgente e sono entangled, cioè i loro stati quantistici hanno qualcosa in comune. Poi, quando si trovano a distanza – nel nostro caso, a dieci metri l’uno dall’altro –, si misura una proprietà di ciascun fotone, uno da una parte e uno dall’altra. E il risultato di ogni singola misura sembra totalmente casuale: può essere +1 o -1 senza uno schema evidente. Ma quando si confrontano i due risultati, quello relativo a un fotone e quello relativo all’altro fotone, si scopre che sono uguali: se si ha +1 da una parte, allora si ha +1 anche dall’altra parte; e se si ha -1 da una parte, allora si ha -1 anche dall’altra. Einstein pensava che questo fenomeno si potesse comprendere solo accettando che, fin dall’inizio, i due fotoni possedessero una proprietà che stabiliva, per esempio, “questa volta sarà +1”. Ma gli esperimenti di Clauser [2] e il mio dimostrano che questa descrizione intuitiva non funziona. I risultati non sono prestabiliti, vengono determinati al momento della misura: fino ad allora si può avere tanto +1 quanto -1. Il mio esperimento, nello specifico, permette di modificare la configurazione dell’apparato all’ultimo momento e, grazie a questa caratteristica, siamo riusciti a osservare che il risultato dipende davvero dalle condizioni presenti nel momento della misura, non è determinato in anticipo.
Quali implicazioni hanno avuto questi esperimenti?
Innanzitutto, abbiamo dimostrato sperimentalmente ciò che la meccanica quantistica predice in una situazione di entanglement, ed è davvero straordinario. L’idea di non-località – cioè che fino all’ultimo momento si può avere +1 o -1 da ciascun lato, ma che se si ha +1 da una parte, allora si ha +1 anche dall’altra – è straordinaria. E trova applicazione in diversi metodi di trasmissione dell’informazione quantistica, come la crittografia quantistica o il teletrasporto quantistico. In secondo luogo, questi esperimenti hanno mostrato che in un sistema entangled si dispone di più informazione di quella che si avrebbe sommando le informazioni del primo e del secondo oggetto. E questa informazione aggiuntiva, quando si considerano molti oggetti quantistici entangled, è enorme. Permettetemi di spiegare un po’ più in dettaglio: se ho soltanto due particelle entangled, l’informazione supplementare non è molto grande, ma se ho tre particelle entangled, allora ho il doppio dell’informazione supplementare, e con quattro qubit entangled, devo moltiplicare di nuovo questa informazione per due, e così via. È una crescita esponenziale. Consideriamo allora 100 qubit entangled: la quantità di informazione è enorme. Nasce da qui l’idea del calcolo quantistico, che consiste proprio nello sfruttare l’enorme quantità di informazione che si può inserire in un sistema.
Quale rimane oggi il limite più profondo della nostra capacità di descrivere la realtà fisica usando la meccanica quantistica?
Oggi sappiamo che le equazioni funzionano. Il problema è che queste equazioni, quando si hanno molti sistemi entangled, conducono a calcoli impossibili da eseguire anche con i computer classici più potenti. Per questo nella materia condensata, per esempio, si costruiscono modelli semplificati, per cercare di disporre di una descrizione approssimativa del mondo. Dal mio punto di vista, che non è il punto di vista di tutti i fisici, abbiamo bisogno di immagini semplici per guidare l’intuizione. La grande difficoltà dell’entanglement è che non esiste un modo naturale per passare dallo spazio matematico astratto, in cui si effettuano i calcoli, al nostro spazio, in cui cerchiamo di sviluppare l’intuizione.
Dagli esperimenti fondamentali è arrivato alla co-fondazione di un’azienda che sviluppa processori quantistici ad atomi neutri scalabili per applicazioni industriali, Pasqal. Qual è stato il suo percorso?
Al momento, la startup Pasqal riproduce semplicemente un esperimento di ricerca del mio ex studente Antoine Browaeys, che oggi è un leader di fama mondiale nel settore. Il suo esperimento coinvolge diverse centinaia di qubit entangled, che vengono manipolati con piccoli laser. È stato Antoine a inventare tutta la tecnologia, pensandola per un contesto accademico. Faccio questa precisazione, perché nell’ambito della ricerca si punta allo sviluppo di tecnologie flessibili, che all’insorgere di una nuova idea, o di nuovi test, possano essere modificate dagli esperti. Diverse però sono le esigenze delle realtà applicative. L’idea di Pasqal, e di molte altre startup che seguono un percorso simile, è proprio quella di trasformare l’esperimento accademico in una tecnologia affidabile che non richieda la presenza costante di esperti, anzi, che sia accessibile anche a chi non sa esattamente cosa c’è all’interno dell’esperimento. Al momento, tuttavia, non conosciamo ancora il finale della storia del calcolo quantistico, e non siamo ancora nella posizione di concentrare tutti i nostri sforzi su un computer quantistico di facile utilizzo, e di sacrificare la flessibilità in nome dell’accessibilità. La ricerca accademica, con i suoi progressi, evoluzioni e nuove idee, deve continuare a muoversi in parallelo all’applicazione industriale.
Quali vantaggi offre la tecnologia ad atomi neutri rispetto ad altri approcci?
Oggi esistono molte tecniche quantistiche diverse, in fase di sperimentazione in vari laboratori. Ci sono gli atomi neutri, gli ioni, i fotoni, i circuiti superconduttori, le impurità nel silicio, e altre ancora. Il grande vantaggio della tecnologia ad atomi neutri è che ci consente, con centinaia di piccoli fasci laser, di manipolare gli atomi: è possibile spostarli, avvicinarne due e farli entrare in entanglement, separarli, avvicinarne un altro, creare un nuovo entanglement… ed è possibile farlo in tre dimensioni. Questo è un grande vantaggio, perché se si vogliono avere migliaia di particelle entangled, manipolarle in una dimensione diventa quasi impossibile, e anche in due dimensioni è difficile. In tre dimensioni, invece, basta disporre le particelle in una configurazione 10x10x10 per ottenere 1000 qubit. Di qui il grande vantaggio degli atomi neutri: la capacità di manipolare un gran numero di atomi in un volume compatto. E ce n’è anche un altro: grazie alla tecnologia ad atomi neutri possiamo evitare il più possibile la decoerenza, cioè le perturbazioni provenienti dall’esterno. Da questo punto di vista, anche gli ioni sono validi, ma il comportamento naturale degli ioni è unidimensionale, quindi torna il problema del numero. Ci sono poi i fotoni, che possono essere manipolati e si può lavorare con essi, anzi, quando si ha un numero piccolo di fotoni entangled, i fotoni sono molto efficienti. Ma ad oggi non sappiamo ancora come ottenere un grande numero di fotoni entangled. Poi c’è il campo dei circuiti superconduttori, in cui si muovono per esempio Google e IBM. Ci troviamo in una situazione molto interessante, in cui nessuno può dire quale di questi metodi prevarrà. Il mio giudizio è che ci sia ancora spazio per diverse tecnologie e che forse, a un certo punto, scopriremo che una tecnologia è migliore per un certo tipo di problema e che un’altra tecnologia risolve problemi di diverso tipo.
Quali sono secondo lei le frontiere più promettenti del calcolo quantistico? Che cosa possiamo realisticamente aspettarci nei prossimi 10-20 anni?
Penso che sia impossibile sapere quali saranno le applicazioni decisive. La storia della scienza ci ha mostrato in più occasioni, come con i laser, che dobbiamo semplicemente costruire l’apparato, usarlo, metterlo a disposizione di persone che non sanno nel dettaglio come funziona, e saranno probabilmente queste ultime a trovare le applicazioni più significative. Al momento, le applicazioni più promettenti sono nella farmaceutica grazie alla chimica quantistica, e più precisamente alla possibilità di determinare la struttura di grandi molecole. Pare che sia estremamente importante, quando si ha una grande molecola, capire come le molecole d’acqua si dispongano e interagiscano con essa. Io non lo capisco, ma ascolto gli esperti e sembrerebbe che un computer quantistico possa fornire una risposta a questo problema. E un’altra applicazione, che credo di capire e che mi piace molto, consiste nell’ottimizzazione di sistemi complessi. Per esempio, in una rete elettrica, dove si hanno molti centri di produzione e molti luoghi in cui l’elettricità è necessaria – dalle auto, alle case, alle industrie –, è un problema mantenere l’equilibrio in tempo reale. Si tratta di ciò che i matematici chiamano un “problema computazionalmente difficile”, intendendo con “difficile” che la dimensione del problema cresce esponenzialmente con il numero dei nodi. Quando qualcosa cresce esponenzialmente non lo si può risolvere con un computer classico, occorre un computer quantistico. Queste sono le migliori idee che abbiamo oggi. Ma sono abbastanza sicuro che tra cinque anni rideremo delle nostre previsioni e avremo applicazioni a cui nessuno aveva ancora pensato.
[1] Se Einstein avesse saputo è il terzo libro di divulgazione scientifica di Aspect, pubblicato nel 2025 dalla casa editrice Editions Odile Jacob e tradotto in italiano nel 2026 da Raffaello Cortina Editore.
[2] Anche lui vincitore del Premio Nobel per la Fisica 2022.
BIO
Alain Aspect è Professore presso l’Institut d’Optique Graduate School, l’Università Paris-Saclay e l’École Polytechnique (Institut Polytechnique de Paris), ed è direttore di ricerca emerito al CNRS. Ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2022 per i suoi esperimenti con fotoni entangled condotti nel 1981-1982, che hanno confermato che la meccanica quantistica fornisce una descrizione corretta dell’entanglement, e aperto la strada ai computer quantistici, le reti quantistiche e le comunicazioni quantistiche cifrate. Oltre al Nobel, è stato insignito di molti premi, tra cui la Medaglia d’oro del CNRS (2005), il Premio Wolf per la Fisica (2010), il Premio Balzan per l’informazione quantistica (2013), la Medaglia d’oro Niels Bohr (2013), la Medaglia Albert Einstein (2013) e la Medaglia Ives dell’Optical Society of America (2013).
