I risultati di applicati e sperimentali ricerca fisica quantistica sono tutti intorno a noi, essendosi fatti strada dal laboratorio al mondo reale sotto forma di tecnologia come sensori e laser. Ma queste aree sono solo due pezzi del più grande puzzle della ricerca quantistica: la ricerca teorica è necessaria per gettare le basi per i progressi nel campo.
Atomi, scienza quantistica – installazione artistica a Bruxelles. Credito immagine: dimitrisvetsikas1969 tramite Pixabay, licenza gratuita
“Se vuoi costruire il tuo fantastico dispositivo che rivoluzionerà il mondo, devi capire come funziona quel dispositivo”, afferma Ruggero Mooreprofessore e presidente di dipartimento presso l’Università di Alberta Dipartimento di Fisica.
Per sfruttare al meglio la tecnologia quantistica applicata, in un certo senso è necessario lavorare a ritroso, spiega Giuseppe Maciejkoprofessore associato presso il Dipartimento di Fisica e direttore del Istituto di fisica teorica.
Ad esempio, prima di realizzare un chip per computer, devi decidere il materiale di cui è fatto. Per fare ciò, è necessaria una comprensione di ciò che riguarda le proprietà di determinati materiali che li renderebbero più adatti al lavoro a portata di mano – conoscenza che è nel territorio della fisica quantistica teorica.
“Per capire queste cose che puoi toccare, devi capire cose che sempre più non puoi toccare. Devi pensarci e hai bisogno della matematica per descrivere cose che non puoi davvero vedere ad occhio nudo. È qui che entra in gioco la teoria”, afferma Maciejko.
Interno del computer quantistico – foto illustrativa. Credito immagine: IBM Research tramite FlickrCC BY-ND 2.0
“Sperimentiamo con il pensiero”
Mentre i fisici quantistici sperimentali e applicati possono testare le loro ipotesi e idee innovative in laboratorio attraverso esperimenti, i fisici quantistici teorici lavorano esclusivamente nel regno del pensiero. Ciò rende la collaborazione una parte fondamentale del processo.
“È così che noi (teorici) sperimentiamo. Sperimentiamo con il pensiero, quindi abbiamo bisogno di far rimbalzare le idee”, afferma Maciejko.
“I teorici hanno bisogno di più teorici intorno a loro”, aggiunge Moore. “Quella condivisione, quello scambio di idee, può far avanzare enormemente la scienza a un ritmo molto più rapido rispetto a qualcuno seduto nel proprio ufficio da solo che cerca di risolvere tutto”.
Orizzonti Quantici AlbertaUN nuova rete provinciale da 25 milioni di dollari creato attraverso una partnership con l’Università di Alberta, l’Università di Calgary e l’Università di Lethbridge, consentirà a questo tipo di collaborazione tra ricercatori teorici di fiorire. Sostenuta da un gruppo di donatori visionari, la rete è dedicata al progresso della scienza quantistica fondamentale e teorica.
Mondo quantistico – interpretazione artistica. Credito immagine: FLY: D tramite Unsplash, licenza gratuita
“Le nostre possibilità di raggiungere la grandezza, le nostre possibilità di raggiungere una posizione sulla scena mondiale nella ricerca quantistica, sono tanto maggiori quanto più risorse all’interno della provincia possiamo raccogliere. Volevamo assicurarci di avere il vantaggio della forza del banco che esiste già in tutte e tre le università “, afferma Richard Bird, uno dei quattro donatori dietro la rete insieme a Joanne Cuthbertson, Patrick Daniel e Guy Turcotte.
“Il focus di Quantum Horizons Alberta è sulla costruzione di capacità in Alberta, soprattutto quando si tratta di capacità di competenza scientifica nella provincia”, afferma André McDonaldvicepresidente associato delle iniziative di ricerca strategica e delle prestazioni presso la U of A. “La creazione di questi nodi contigui di competenze di ricerca in tutta la provincia è ciò che aiuterà a cristallizzare e rafforzare l’approccio pan-Alberta allo sviluppo della ricerca sui scienza in provincia”.
Come spiega McDonald, l’U of A è ben posizionato come nodo all’interno della rete, con oltre 100 milioni di dollari di infrastrutture e attrezzature necessarie per supportare la ricerca e la formazione quantistica fondamentale.
“Abbiamo tutta questa infrastruttura fisica e ora quello per cui stiamo lavorando è espandere la nostra infrastruttura sociale coinvolgendo professori, ricercatori post-dottorato e altri tirocinanti”.
“Le università dell’Alberta hanno una lunga storia di collaborazione scientifica quantistica e risultati congiunti che lo dimostrano”, afferma Robert Thompson, vicepresidente associato (ricerca) e professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Calgary. “Quantum Horizons Alberta aumenterà la capacità quantistica in tutta la provincia, creando opportunità per ogni istituzione di applicare la propria esperienza unica a obiettivi condivisi per la ricerca e l’impatto”.
Costruire una solida base
Come spiega Moore, la fisica teorica è un po’ come il capitolo iniziale di una storia: potresti non sapere quale sarà il finale, ma è una parte cruciale della narrazione complessiva.
Oppure, pensala in questo modo. Per costruire anche una semplice struttura con i LEGO, devi prima capire come mettere insieme i mattoncini. Lo stesso vale per il tipo di ricerca quantistica che si traduce in progressi innovativi che cambiano il nostro mondo: stai cercando di ottenere una comprensione più profonda della fisica quantistica, come si comporta la materia in questo mondo, come gli elettroni parlano tra loro e reagiscono in diversi scenari. Devi capire le regole prima di poter mettere insieme una struttura solida, spiega Maciejko.
“Almeno dal mio punto di vista, non puoi fare scienza applicata senza la scienza fondamentale, perché tutta la scienza applicata a un certo punto si basa sulla scienza fondamentale”, dice. “Come meccanici e Le leggi di Newton: ora è scienza applicata, ma nel 1700 era scienza fondamentale.
“Se vogliamo avere nuove tecnologie o cose che influenzino la società, dobbiamo anche investire nella scienza fondamentale. C’è questa pipeline dalla scienza e dalla matematica fondamentali alla costruzione di dispositivi e alla loro vendita. Ci sono molti esempi di cose che la gente pensava fossero solo ricerche fondamentali che sono diventate molto pratiche”, spiega Lindsay LeBlancprofessore associato presso il Dipartimento di Fisica e Canada Research Chair in Ultracold Gases for Quantum Simulation.
Ci sono alcune aree chiave nella teoria quantistica. La ricerca sulla superconduttività esamina le proprietà dei superconduttori, materiali speciali che conducono perfettamente l’elettricità. L’informatica quantistica è un altro ramo, con i ricercatori che hanno inventato dispositivi che immagazzinano informazioni in una misura quantistica chiamata qubit piuttosto che nei bit standard che si trovano su un normale computer. Esperti come Maciejko che lavorano nel campo dei materiali topologici studiano nuovi materiali esotici con proprietà distinte che potrebbero essere la chiave per la prossima generazione di dispositivi. E poi c’è la fisica delle particelle, che studia “i mattoni fondamentali della natura” guardando la materia nella sua forma più minuta, a livello subatomico.
“Direi che i materiali quantistici e il calcolo quantistico sono due delle grandi direzioni che speriamo di portare avanti (Quantum Horizons Alberta)”, afferma Maciejko, sebbene i ricercatori coinvolti nella rete stiano apportando competenze in molte aree diverse della scienza quantistica.
Troppo complesso per affrontarlo da solo
Questo è fondamentale perché tutti i fisici quantistici, non solo i teorici, stanno cercando di rispondere a domande sempre più complesse e, di conseguenza, nessun ricercatore ha tutte le conoscenze, spiega LeBlanc. È necessaria la collaborazione tra fisici che lavorano in vari rami della quantistica.
“Avere queste diverse tecniche e diversi background aiuta davvero le persone a trovare nuove idee, ed è sempre quello che stiamo cercando: nuovi approcci per risolvere problemi che sono davvero difficili da risolvere”, afferma.
Il fatto che Quantum Horizons Alberta si concentri specificamente sulla ricerca teorica lo distingue, secondo Maciejko.
“Certamente ci saranno ramificazioni per le domande, ma (i donatori) volevano davvero sostenere la scienza fondamentale, la ricerca per il gusto di scoprire cose nuove, e questo era un punto importante”.
Come rivela Bird, durante le discussioni dei donatori, hanno appreso che quasi tutti i finanziamenti erano destinati alle applicazioni e alla commercializzazione della scienza quantistica e si sono resi conto che concentrare i loro fondi in un’altra direzione avrebbe consentito loro di avere un impatto importante.
“C’era una vera lacuna nel finanziamento di ciò che chiamiamo scienza quantistica fondamentale o teorica”, afferma Bird. “Tutti gli accademici con cui abbiamo parlato pensavano che potessimo andare solo così lontano sviluppando applicazioni di ciò che già sappiamo. Alla fine, dobbiamo comprendere meglio le basi di quest’area della scienza”.
“Direi che Quantum Horizons Alberta è unico nella storia della scienza canadese”, afferma Maciejko. “Abbiamo il Istituto Perimetralema questa è la prima volta che accade qualcosa del genere nell’ovest, quindi è un grosso problema.
Mentre possono volerci decenni o addirittura secoli perché i progressi della fisica si spostino dal regno del pensiero alle applicazioni del mondo reale, senza le componenti teoriche e fondamentali, ci mancano i pezzi chiave del puzzle, dice Maciejko.
“La scienza fondamentale di oggi è la scienza applicata di domani. E se tagliamo il gasdotto, a un certo punto la scienza applicata si esaurirà. Finiremo le idee, l’ispirazione”.
Fonte: Università dell’Alberta
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
