Il 2025 è l’Anno Internazionale della Scienza e Tecnologia Quantistica

di Marco Andreozzi

Le Nazioni Unite hanno designato il 2025 come l’Anno Internazionale della Scienza e Tecnologia Quantistica, in una celebrazione che ripercorre un secolo di scoperte fondamentali. Nel 1925, tre fisici tedeschi – Heisenberg, Born e Jordan – introdussero la meccanica delle matrici, un concetto che estendeva il modello atomico del danese Niels Bohr. Bohr, a sua volta, era stato il primo a concepire la quantizzazione dell’energia, cioè la limitazione di una grandezza fisica a valori discreti, detti quanti. La meccanica delle matrici si affiancò alla meccanica ondulatoria dell’austriaco Schrödinger, sviluppata pochi mesi dopo, e che divenne il fondamento della notazione di algebra lineare chiamata Bra-Ket del fisico britannico Paul Dirac, celebre per la sua associazione con l’espressione della formula dell’amore (nota linguistica: “bra” in inglese significa “reggiseno” e “ket” in inglese medievale vuol dire “carne”.)

Da tempo, le matrici, tabelle ordinate di elementi utilizzate nell’algebra lineare, rappresentano uno strumento fondamentale per lo studio di grandezze fisiche, come i vettori nello spazio (escludendo fenomeni caotici). Sebbene le matrici moderne siano nate nel XX secolo, il loro precursore fu il matematico svizzero Eulero, che nel XVIII secolo sviluppò i quadrati latini come strumento combinatorio per la corrispondenza biunivoca tra numeri naturali (1, 2, 3, ecc.) di insiemi finiti. Negli anni ’60, il matematico e filosofo italiano, naturalizzato americano, Giancarlo Rota contribuì significativamente all’algebra lineare, materia che sappiamo essere applicata anche allo studio dei fenomeni complessi nelle scienze naturali e sociali.

 

In tempi recenti di quest’anno, da Inghilterra e Toscana registriamo pioggia quantistica di sviluppi scientifici interessanti. All’Università del Surrey, il professor Andrea Rocco e il suo gruppo hanno sviluppato una teoria secondo cui le equazioni della meccanica quantistica sono invariate sia che il tempo scorra in avanti, come normalmente percepiamo, sia che vada all’indietro. Un’ulteriore innovazione è giunta da Oxford, dove due computer quantistici sono stati connessi a distanza attraverso il teletrasporto quantistico, con una fedeltà del 86% nei dati trasferiti. Questa scoperta apre la strada a comunicazioni senza fili, eliminando la necessità di cavi o segnali elettromagnetici, e potrebbe ridurre significativamente il rischio di intercettazioni, aumentando al contempo la velocità di elaborazione delle informazioni. All’Università Queen Mary di Londra, la professoressa italiana Ginestra Bianconi ha avanzato una teoria sulla gravità quantistica, suggerendo che essa possa avere origine entropica. L’entropia, che misura il disordine di un sistema fisico, potrebbe essere la chiave per comprendere la materia oscura, ovvero il 95% dell’energia dell’universo che la relatività generale non riesce a spiegare. Questa teoria prova l’esistenza del campo-G e potrebbe fornire una spiegazione per l’attrazione gravitazionale della materia oscura. 

A Firenze, il Laboratorio di Miscele Quantistiche del CNR-INO, l’Università di Firenze e il Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non Lineari (LENS) hanno lavorato sul fenomeno dell’instabilità capillare in un liquido non convenzionale: un gas quantistico ultra-diluito. La tensione superficiale di un liquido misura l’energia coesiva intermolecolare tra liquido stesso ed interfaccia, che può essere solida, liquida o gassosa, e la cui superficie tende naturalmente a minimizzarsi. A livello macroscopico, questo fenomeno è alla base della formazione delle gocce di pioggia o delle bolle di sapone: instabilità capillare che presenta applicazioni cruciali nell’industria, la biomedicina e le nanotecnologie. Nel caso di un gas, quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto (-273,15 °C), gli atomi iniziano a seguire le leggi della meccanica quantistica, comportandosi in modo simile a liquidi, pur essendo in fase gassosa. Questo comportamento permette la formazione di gocce quantistiche, un fenomeno già studiato da tempo. La ricerca, che ha coinvolto una miscela di atomi di potassio e rubidio, apre la strada alla realizzazione di vettori di goccioline quantistiche, con promettenti applicazioni future in tecnologie basate sulla stessa meccanica quantistica.

In un mondo in cui la scienza quantistica dell’infinitamente piccolo ci sta progressivamente rivelando la comprensione della dimensione macro, resta ancora da vedere quando queste teorie riusciranno a completare la nostra conoscenza del cosmo. Tuttavia, osservando la realtà terrestre, a parte la fuga di cervelli italiani, emerge un legame più tangibile tra il progresso scientifico e i cambiamenti sociali. Un recente articolo pubblicato su The Economist ha messo in luce l’invecchiamento “vergognoso” (cit.) delle persone nella fascia d’età 55-64 nei paesi ricchi, con un preoccupante aumento, negli ultimi quindici anni, dell’uso di droghe e di casi di malattie sessualmente trasmissibili. Questo gruppo di individui, che in buona percentuale vivono da soli (25% in USA), sembra subire l’attrazione dalle stesse abitudini che aveva in età giovanile, vivendo nel tempo che scorre all’indietro, e anche favorito dalla facilità dei contatti tecnologici a distanza. La bolla di sapone quale simbolo del carpe diem di detta generazione?

2025 is the International Year of Quantum Science and Technology

by Marco Andreozzi

The United Nations has designated 2025 as the International Year of Quantum Science and Technology, in a celebration that looks back on a century of fundamental discoveries. In 1925, three German physicists—Heisenberg, Born, and Jordan—introduced matrix mechanics, a concept that extended the atomic model of the Dane Niels Bohr. Bohr, in turn, was the first to conceive the quantization of energy, that is, the restriction of a physical quantity to discrete values, called quanta. Matrix mechanics was complemented by the wave mechanics of the Austrian Schrödinger, developed a few months later, and which became the basis of the Bra-Ket notation of linear algebra (linguistic note: ‘ket’ means “flesh” in Middle English) by the British physicist Paul Dirac, known for its association with the expression of the formula for love.

Matrices, ordered tables of elements used in linear algebra, have long been a fundamental tool for the study of physical quantities, such as vectors in space (excluding chaotic phenomena). Although modern matrices were developed in the twentieth century, their precursor was the Swiss mathematician Euler, who in the eighteenth century studied Latin squares as a combinatorial tool for the biunivocal correspondence between natural numbers (1, 2, 3, etc.) of finite sets. In the 1960s, the Italian mathematician and philosopher, naturalized American, Giancarlo Rota made significant contributions to linear algebra, a subject that we know can also be applied to the study of complex phenomena in the natural and social sciences.

 

In recent times this year, from England and Tuscany we are recording a quantum rain of interesting scientific developments. At the University of Surrey, Italian Professor Andrea Rocco and his group have developed a theory according to which the equations of quantum mechanics are unchanged whether time flows forward, as we normally perceive, or backwards. A further innovation has come from Oxford, where two quantum computers have been remotely connected through quantum teleportation, with an 86% fidelity in the data transferred. This discovery opens the way to wireless communications, eliminating the need for cables or electromagnetic signals, and could significantly reduce the risk of data leaks, while increasing the speed of information processing. At Queen Mary University of London, Italian Professor Ginestra Bianconi has advanced a theory of quantum gravity, suggesting that it may have an entropic origin. Entropy, which measures the disorder of a physical system, could be the key to understanding dark matter, i.e. the 95% of the energy in the universe that general relativity cannot explain. This theory proves the existence of the G-field and could provide an explanation for the gravitational attraction of dark matter.

In Florence, the Laboratory of Quantum Mixtures of the CNR-INO, the University of Florence and the European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy (LENS) have been working on the phenomenon of capillary instability in an unconventional liquid: an ultra-diluted quantum gas. The surface tension of a liquid measures the intermolecular cohesive energy between the liquid itself and the interface, which can be solid, liquid or gaseous, and whose surface naturally tends to minimize. At the macroscopic level, this phenomenon is at the basis of the formation of raindrops or soap bubbles: capillary instability that has crucial applications in industry, biomedicine and nanotechnology. In the case of a gas, when the temperature approaches absolute zero (-273.15 °C), the atoms begin to follow the laws of quantum mechanics, behaving similarly to liquids, even though they are in the gaseous phase. This behavior allows the formation of quantum drops, a phenomenon already studied for some time. The research, which involved a mixture of potassium and rubidium atoms, paves the way for the realization of arrays of quantum droplets, with promising future applications in technologies based on quantum mechanics itself.

In a world where quantum science of the infinitely small is gradually revealing to us the understanding of the macro dimension, it remains to be seen when these theories will succeed in completing our knowledge of the cosmos. However, looking at terrestrial reality, apart from the Italian brain drain, a more tangible link between scientific progress and social changes emerges. A recent article published in The Economist highlighted the “shameful” (quote) aging of people in the 55-64 year old group in rich countries, with a worrying increase, in the last fifteen years, in drug use and cases of sexually transmitted diseases. This group of individuals, a good percentage of whom are single (25% in the USA), seems to be attracted by the same habits they had in their youth, living a time that flows backwards, and also favored by the ease of technological contacts at a distance. The soap bubble as the symbol of carpe diem for that generation?

 

Marco Andreozzi, è Dottore in Ingegneria Meccanica, Economia/Amministrazione (Politecnico di Torino). Tecnologo industriale e specialista del settore energetico, proviene da esperienze professionali in cinque multinazionali in Italia e paesi extra-europei, e come direttore generale da un quarto di secolo; nomade digitale dal 2004 al 2019, e’ sinologo, parla correntemente il mandarino e in Cina e’ stato docente a contratto.

Marco Andreozzi, is a Doctor in Mechanical Engineering, Economics/Administration (Polytechnic of Turin). Industrial technologist and specialist in the energy sector, he comes from professional practices in five corporates in Italy and non-European countries, and as managing director for a quarter of a century; digital nomad from 2004 to 2019, he is a sinologist, speaks fluent Mandarin and was a visiting professor in China.