Innovazione e ricerca responsabili: le tecnologie quantistiche di ultima generazione
di Marilù Chiofalo e Federico Oliveri
La fisica sta vivendo una stagione senza precedenti di fecondazione incrociata tra diverse aree della scienza. Le opportunità offerte dalle cosiddette “tecnologie quantistiche di ultima generazione” si collocano al centro di questa fase. Si tratta di tecnologie basate su un grado teorico e sperimentale di precisione e controllo tali, da consentire design incredibilmente accurati di stati quantistici della materia e delle loro proprietà. In questo modo diventa possibile implementare in modo controllato quelle peculiarità della meccanica quantistica che la rendono così “bizzarra” ed estranea alla nostra esperienza quotidiana e, forse anche per questo, così affascinante.
In meccanica quantistica, un sistema fisico rispetto a una sua qualunque proprietà è sempre in una sovrapposizione di molteplici – anche infinite – realizzazioni possibili, una sola delle quali – o un suo sottoinsieme – si verifica a seguito di una misura con un opportuno strumento. Questa è solo una delle stranezze tra quelle poste alla base della teoria sviluppata nel secolo scorso, necessaria per spiegare le osservazioni sperimentali. Una teoria finora mai smentita, in più di un secolo, da alcun esperimento, e che oggi è osservabile in sistemi fisici di dimensioni progressivamente sempre più grandi, che non in singoli atomi o gruppi di atomi.
Ma non è tutto. Con le attuali tecnologie è possibile correlare molte particelle quantistiche in maniera così forte rispetto a una loro proprietà che queste possono continuare a condividere l’informazione anche quando vengono separate e poste a grande distanza tra loro: è il cosiddetto entanglement, alla base di algoritmi per computer quantistici e del teletrasporto quantistico dell’informazione.
L’implementazione di questi concetti fondamentali in una tecnologia ha degli effetti potenzialmente enormi per la scienza, sia quella di base che quella applicata. È possibile ingegnerizzare un sistema quantistico ad hoc per simulare il comportamento di un altro sistema quantistico di cui si vogliano indagare le proprietà con i cosiddetti simulatori quantistici, ovvero per rivelarne delle proprietà particolarmente elusive con la progettazione dei cosiddetti sensori quantistici.
Il qubit è un particolare stato fisico quantistico realizzato nella materia: una sovrapposizione di due possibili realizzazioni in una qualche proprietà. I qubit, combinati con algoritmi quantistici, concetti e strumenti della teoria dell’informazione e della logica quantistica, sono alla base dei computer quantistici e dei protocolli di comunicazione quantistica.
Se nella storia dell’umanità la scienza dei materiali ha prodotto rivoluzioni come l’età del ferro o del bronzo, oggi le tecnologie di ultima generazione consentono di rispondere in modo diverso, e con una diversa potenza, a domande fondamentali, complesse ed estremamente interdisciplinari. Tra gli esempi possibili: le applicazioni per svelare i misteri, ancora fitti, del cosmo; il design di molecole di interesse per l’industria chimica, farmaceutica e agraria; la produzione di materiali efficaci ed efficienti in una prospettiva di sostenibilità energetica e ambientale; la descrizione efficace tramite la matematica di reti neurali quantistiche di sistemi complessi che nulla hanno necessariamente di quantistico – per esempio in ambito economico, sociale, genetico, o di neuroscienze; nuove frontiere delle comunicazioni come protocolli di criptazione delle informazioni.
Questa tipologia di ricerche e di innovazioni tecnologiche avranno un impatto sociale inevitabilmente forte: il grado del cambiamento dipenderà solo da quanto, di questo potenziale, sarà effettivamente utilizzabile.
Sono diversi i sistemi fisici – le cosiddette piattaforme di tecnologie quantistiche – che sono ad oggi una realtà in continuo sviluppo: ne dà conto un ampio lavoro recentemente pubblicato su Technologies, intitolato Atomic Quantum Technologies for Quantum Matter and Fundamental Physics Applications, a cura di Jorge Yago Malo, Luca Lepori, Laura Gentini e Marilù Chiofalo. Il lavoro passa in rassegna lo stato dell’arte dei principi di funzionamento e delle applicazioni di una particolare piattaforma molto promettente, che ha avuto una funzione cruciale nell’accelerare questa “seconda rivoluzione quantistica”, ovvero la piattaforma basata sull’uso di atomi a temperature di qualche decina di miliardesimo di grado Kelvin sopra lo zero assoluto.
Rivolto a scienziati e scienziate attive nella ricerca interdisciplinare o ad essa interessate, questa rassegna illustra come l’ingegnerizzazione di esperimenti possibili in tavoli ottici di qualche metro quadro stia generando applicazioni a problemi di fisica della materia condensata, fisica fondamentale, cosmologia e astrofisica. Si tratta di un contributo finalizzato a comprendere ciò che ancora non è chiaro, del perché la meccanica quantistica funzioni così bene: una comprensione utile a far avanzare, tra l’altro, la chimica quantistica e il campo emergente della biologia quantistica.
Più in particolare, le autrici e gli autori hanno inteso condividere tre messaggi principali. In primo luogo, queste tecnologie quantistiche basate sull’uso di atomi ultrafreddi stanno aprendo una nuova era nel modo in cui la fisica della materia è utilizzata per la scienza fondamentale. Al di là del progresso della conoscenza, queste tecnologie promuovono una ricerca fortemente interdisciplinare e con approccio intersettoriale, inclusa una più stretta collaborazione tra università e aziende. Tali tecnologie introducono, inoltre, un nuovo tipo di interazione tra pensiero teorico e sperimentale: se, nella fisica di Galilei, gli esperimenti tradizionalmente attivano la modellizzazione teorica e servono a validarne le predizioni, con le nuove frontiere delle tecnologie quantistiche il lavoro teorico può anche contribuire a ingegnerizzare esperimenti che, a loro volta, funzionano da simulatori analogici per la teoria.
In secondo luogo, la fisica quantistica della materia con le sue tecnologie di ultima generazione sta inevitabilmente prendendo il “centro della scena” nella scienza di frontiera.
In ultimo, ma non per importanza, la scienza quantistica e il progresso tecnologico avranno un impatto pervasivo e capillare sulla società: questo effetto non sarà limitato a settori isolati o altamente specializzati di conoscenza, ma si ripercuoterà su una vasta gamma di aspetti della vita associata nella misura in cui impatteranno su nuove competenze richieste e su nuovi tipi di lavori in un’economia profondamente trasformata. Senza dimenticare gli aspetti cruciali legati alla regolamentazione e alla governance di queste nuove tecnologie, con le connesse problematiche etiche e giuridiche.
In questa prospettiva, adottare un approccio di ricerca e innovazione responsabile verso le tecnologie quantistiche è obbligatorio, per accompagnare i cittadini e le cittadine nella costruzione di consapevolezza e di un’adeguata visione del futuro. Per questo motivo, le autrici e gli autori hanno inteso includere in questo articolo, che pure riporta ricerche estremamente specialistiche e interdisciplinari, una sezione dedicata alla prospettiva della ricerca e dell’innovazione responsabili (Responsible Research and Innovation, RRI), dando conto delle azioni e delle strategie più significative al momento in campo. L’augurio è che questa scelta contribuisca a sviluppare e diffondere una cultura diversa della disseminazione della ricerca specialistica, che integri in maniera sistematica le riflessioni RRI appropriate, di volta in volta, allo specifico tema di ricerca.
I principi della RRI vengono sempre più spesso adottati da agenzie di finanziamento e istituzioni della ricerca in tutto il mondo. L’Unione Europea, ad esempio, ha fatto della RRI una componente chiave della sua strategia di ricerca e innovazione e ha stabilito un quadro per promuovere la RRI in tutte le fasi del processo di ricerca. Negli Stati Uniti, la National Science Foundation ha adottato un approccio simile, sottolineando l’importanza della RRI nelle sue priorità di finanziamento.
La Commissione Europea definisce la RRI come “un approccio che anticipa e valuta le implicazioni potenziali e le aspettative della società riguardo alla ricerca e all’innovazione, con l’obiettivo di favorire la progettazione di ricerca e innovazione inclusive e sostenibili”. Si tratta di una risposta alle preoccupazioni circa i possibili impatti negativi della ricerca scientifica e tecnologica. A tal fine, la RRI si sviluppa intorno a sei dimensioni essenziali: la scienza aperta, il coinvolgimento del pubblico, le azioni per la parità di genere, l’educazione scientifica, la divulgazione e la riflessione etica.
Una comunicazione pubblica efficace è cruciale e i ricercatori e ricercatrici di tutto il mondo stanno iniziando a riconoscere la loro responsabilità in questo senso. Tuttavia, educare la cittadinanza alla scienza quantistica rappresenta una sfida notevole. Sebbene simile a quelle affrontate in risposta ad altri progressi tecnologici nel corso della storia, la sfida sollevata dalle tecnologie quantistiche include un problema aggiuntivo: quello delle gravi limitazioni che, in questo ambito, riguardano le capacità d’uso dei linguaggi sperimentale, creativo e matematico, ossia i pilastri del pensiero scientifico. Infatti, anche la comprensione di base dei concetti della scienza e della tecnologia quantistica richiede forme di alfabetizzazione scientifica non facilmente disponibili nella vita quotidiana, con esperimenti di fisica quantistica condotti in laboratori specializzati e l’uso di una matematica fuori dalla portata della maggior parte delle persone. Inoltre, la fisica quantistica si occupa di oggetti e fenomeni intangibili, che trascendono il senso comune e sfidano radicalmente la nostra immaginazione, spesso troppo legata all’esperienza quotidiana. Nella fisica, e in quella quantistica in particolare, i nostri “occhi” sono strumenti di misura, e la nostra comprensione passa attraverso un delicato (ed entusiasmante) lavoro di interpretazione dei risultati.
Nonostante l’importanza crescente delle tecnologie quantistiche, la fisica della materia quantistica è sostanzialmente esclusa dai programmi scolastici, o vi è presente solo a livello descrittivo. In un contesto di divulgazione, la fisica quantistica viene spesso presentata tramite analogie o prospettive storiche, che non forniscono spiegazioni o comprensioni fondate su un processo di pensiero scientifico, portando a potenziali fraintendimenti. Senza un fondamento negli esperimenti e senza un certo livello di struttura formale, gli educatori e le educatrici corrono il rischio di offrire narrazioni superficiali, spesso fuorvianti. Pertanto, è necessario sviluppare un approccio basato sulla ricerca in materia di divulgazione, cui abbiamo dato il nome di Physics Outreach Research (POR).
Sebbene parallelo al campo, ben più consolidato, della Physics Education Research (PER), l’approccio POR per la fisica quantistica presenta alcune specifiche difficoltà. Ad esempio, il contesto della divulgazione è diverso da quello della classe: il pubblico potrebbe non essere uniforme per età e background; la valutazione di nuovi strumenti e tecniche di apprendimento di solito non può essere ottenuta attraverso test ed esami; gli eventi di divulgazione di solito sono attività a breve termine; e, cosa più importante, la partecipazione a un’attività di divulgazione è volontaria. Per la divulgazione della fisica quantistica, a queste difficoltà si aggiungono quelle di linguaggio discusse prima.
Un passo avanti significativo in questa direzione è stato compiuto dall’iniziativa QTEdu-CSA (Quantum Technology Education – Coordination and Support Action) nell’ambito dell’iniziativa European Quantum Flagships. Anche attraverso il collegamento tra le comunità quantistiche accademiche e industriali, QTEdu ha realizzato con successo 11 progetti pilota in 25 paesi europei, affrontando le esigenze educative specifiche del campo e chiarendo il notevole potenziale delle tecnologie quantistiche. Questi progetti pilota di QTEdu hanno affrontato segmenti diversi del pubblico, tra cui cittadini/e di tutte le età, decisori politici, insegnanti, studenti e studentesse, personale dei media, lavoratori e lavoratrici del settore industriale. Il design del materiale didattico è stato adattato per le scuole superiori e le università, portando alla creazione di un Master in Tecnologia Quantistica Potenziata Digitalmente (DIGIQ) finanziato dall’UE.
Di particolare interesse nel contesto della RRI nelle tecnologie quantistiche è anche il progetto pilota QUTE4E sulla divulgazione e l’educazione, che ha prodotto l’approccio basato sulla narrazione scientifico-culturale (Culturo-Scientific Storytelling, CSS), discussa nel lavoro Culturo-Scientific Storytelling di S. Goorney, C. Foti, L. Santi, J. Sherson, J., Yago Malo e M. Chiofalo, pubbicato nel 2022 su Education Sciences. Secondo il CSS ogni disciplina è composta da un nucleo di concetti fondamentali, con le loro reciproche relazioni, da un corpo di conoscenze, su come questi concetti vengano applicati nella pratica, e da una “periferia”. Quest’ultimo spazio è quello dove accadono le cose più emozionanti, sia dal punto di vista della comunità della ricerca che della cittadinanza.
Per i ricercatori e le ricercatrici, la periferia è lo spazio dove i confini della conoscenza vengono spinti in avanti, per raggiungere un nuovo livello di comprensione. Per la cittadinanza, la periferia è lo spazio dove si arriva con le proprie convinzioni. In entrambi i casi, si tratta di spazi altamente trasformativi. Inoltre, gli elementi che entrano nell’approccio CSS riflettono quelli che caratterizzano le cinque “menti” necessarie per il futuro, così come introdotte da Howard Gardner: la mente del pensiero disciplinare, quella della sintesi, e quelle creativa, etica e rispettosa. In questa prospettiva, il CSS segue un approccio unico, che esplora le intersezioni tra discipline scientifiche e cultura, in una direzione naturalmente in linea con la RRI.
Eppure, promuovere forme di alfabetizzazione creative, formali e sperimentali per la narrazione della scienza e della tecnologia quantistica non è un compito facile. Per superare questa sfida occorre, ad esempio, progettare strumenti che possano lavorare per compensare le relative limitazioni linguistiche e teoriche. In questa direzione, all’interno del progetto pilota QUTE4E, sono stati elaborati giochi quantistici e strumenti interattivi, laboratori virtuali concettuali e sperimentali, capaci in qualche modo di visualizzare e “far vivere” il senso di determinate teorie e dinamiche quantistiche. In particolare, i giochi quantistici e i dispositivi interattivi si sono dimostrati strumenti efficaci di supporto per studenti delle scuole superiori e pubblico generico, nel comprendere i concetti elementari della meccanica quantistica.
La piattaforma QplayLearn, concepita per educare studenti de studentesse di ogni ordine di scuola e il pubblico generale alla fisica e alle tecnologie quantistiche, è ispirata alla teoria delle “intelligenze multiple” formulata da Howard Gardner negli anni ’80. In poche parole, viene proposto un dizionario di concetti di fisica e tecnologie quantistiche: la narrazione di ciascun elemento viene offerta attraverso l’uso di diversi linguaggi, adatti alle nostre diverse intelligenze. Le sezioni “giocare”, “scoprire”, “apprendere”, “applicare” utilizzano il linguaggio dei giochi, degli esperimenti e delle animazioni sotto forma, rispettivamente, di videogiochi con meccaniche di gioco quantistiche, pillole quantistiche video, elementi matematici, esercizi di informazione e logica quantistiche.
Ma si può anche arrivare a un approccio integrato tra arte e scienza, come quello sviluppato con la Quantum Jungle, un’installazione artistica interattiva e immersiva creata dall’artista Robin Baumgarten, supportata da un team di esperte ed esperti di fisica quantistica delle università di Helsinki e Pisa per la concettualizzazione e la codifica. La Quantum Jungle – esposta per sei mesi a Pisa presso i musei di Palazzo Blu e oggi liberamente visitabile in pianta stabile dalle 8 alle 18 al I Piano dell’Edificio E del Polo Fibonacci – visualizza il comportamento nel tempo di una singola particella quantistica a partire da uno stato iniziale definito dal/lla visitatore/trice, fornendo uno strumento scientificamente accurato e artisticamente affascinante per visualizzare la matematica dell’equazione di Schroedinger simulata dal computer, e comprendere i concetti quantistici essenziali di stato quantico, sovrapposizione, tunneling e misura.
Siamo davvero sulla soglia di un cambiamento epocale. Le tecnologie quantistiche di ultima generazione offrono una chiave per disvelare segreti dell’universo e, se sfruttate con saggezza, possono rivoluzionare settori cruciali delle nostre esistenze. Ma solo attraverso un’autentica sinergia tra ricerca d’avanguardia, divulgazione scientifica efficace e un pubblico consapevole, ossia implementando in principi di una ricerca e di un’innovazione responsabili, potremo costruire un futuro in cui la tecnologia sia al servizio dell’umanità e contribuisca al benessere di tutte e tutti.
Marilù Chiofalo è professoressa di Fisica della materia presso l’Università di Pisa, dove tiene tra gli altri gli insegnamenti di “Current Trends in Quantum Matter” e di “Fisica di tutti i giorni”; è membro del Centro Interdisciplinare “Scienze per la Pace” e del Gruppo di lavoro di ateneo sulla Ricerca responsabile.
Federico Oliveri è Senior Fellow del Centro Interdisciplinare “Scienze per la Pace” dell’Università di Pisa. Insegna “Informatica giuridica” nel corso di laurea in Scienze giuridiche per l’innovazione organizzativa e la coesione sociale dell’Università di Camerino.
