Le Scienze Integrate non vanno intese come una nuova disciplina, nella quale si fondono discipline diverse, ma come l’ambito di sviluppo e di applicazione di una comune metodologia di insegnamento delle scienze.
Essenziale al riguardo è la ricerca e l’adozione di un linguaggio scientifico omogeneo, di modelli uniformi e comparabili, nonché di temi e concetti che abbiano una valenza unificante.
Integrare non significa affidarsi ad accostamenti improvvisati, quanto piuttosto impegnarsi in un’operazione di alto profilo culturale, che richiede consapevolezza, apertura mentale e grande padronanza del sapere scientifico,
non disgiunto dalla volontà e dalla propensione al lavoro di equipe.
L’insegnamento delle Scienze Integrate intende ricondurre il processo dell’apprendimento verso lo studio della complessità del mondo naturale, ricomponendo e tematizzando i saperi che solo per facilità di studio, quando necessario,
possono essere affrontati separatamente. Le scienze della terra, la fisica, la chimica e la biologia fanno parte degli strumenti che la cultura ha sviluppato per conoscere, comprendere, speculare e utilizzare. L’osservazione dei fenomeni,
la proposta di ipotesi e la verifica sperimentale della loro attendibilità, permettono agli studenti di valutare la propria creatività, di apprezzare le proprie capacità operative e di sentire più vicini i temi proposti.
L’integrazione delle scienze, pur non disperdendo la specificità degli apporti disciplinari, mira a potenziare e sviluppare l’intima connessione del sapere scientifico
L’integrazione non è affidata all’unicità dell’insegnante; gli insegnanti possono essere diversi per le diverse discipline. Essa si realizza nell’attività di progetto che muove dall’individuazione di elementi comuni che uniformano prospettive,
visioni e metodi.
L’insegnamento delle Scienze Integrate, se correttamente interpretato e realizzato, potrà essere una grande occasione per avvicinare le nuove generazioni alla scienza, per sviluppare la cultura scientifica,
per far avanzare nel nostro Paese la capacità di misurarsi con le grandi questioni dello sviluppo economico e dell’integrazione fra le culture e i popoli.
In un articolo apparso su Horizon c’è un’interessante intervista al professor Ronald Hanson dell’Università Tecnica di Delft, Paesi Bassi, in cui il ricercatore fa alcune riflessioni sulla consistenza delle previsioni riguardo
ad una futura ed eventuale Internet quantistica.
Lo scienziato ritiene che l’Internet quantistica possa essere realizzata ma andrebbe ad affiancare l’attuale Internet in quanto quella basata su una struttura quantistica si rivelerà molto più costosa e complessa da realizzare e quindi
forse non conveniente da usare per le azioni più quotidiane sulla Rete.
La parte dell’intervista più interessante, però, è quella riguardante il fenomeno dell’entanglement quantistico e di una sua eventuale applicazione per quanto riguarda la comunicazione e quindi riguardo una Internet quantistica del futuro.
Hanson, nonostante ad oggi ancora non si sia neanche ben compreso il fenomeno, sembra essere fortemente ottimista riguardo una tale ipotesi.
Già nel 2014 lo scienziato aveva annunciato di aver collegato, proprio tramite questo strano effetto quantistico, due particelle a tre metri di distanza e di aver teletrasportato informazioni dall’una all’altra.
Questa sorta di teletrasporto quantistico è l’idea alla base secondo cui un’informazione che si trova in una particella scompare letteralmente da quest’ultima per apparire in un’altra, posta a qualsiasi distanza (3 metri o anche 3 miliardi di km).
La cosa più interessante del fenomeno è che queste informazioni non si muovono tramite un vettore fisico e non sono codificate tramite impulsi di luce, come avviene con le comunicazioni digitali tradizionali.
In sostanza, l’informazione non si muove dal mittente al ricevitore ma scompare nei pressi del mittente per ricomparire istantaneamente nei pressi del ricevitore.
Tra l’altro, dato che è ormai dato per certo che la potenza dei futuri computer quantistici possa decriptare praticamente di tutto, l’entanglement quantistico potrebbe rivelarsi il fenomeno fondamentale
per far sì che un’eventuale Internet quantistica futura possa risultare sicura, in sostanza che le informazioni non possano essere in alcun modo intercettate.
Lo scienziato dichiara poi apertamente che l’obiettivo suo e della sua squadra di ricercatori è quello di poter, un giorno, inviare segnali quantistici teletrasportandoli, senza che debbano passare attraverso la fibra ottica:
“scompaiono da un lato e ricompaiono dall’altro”.
Al momento un’applicazione dell’entanglement quantistico per qualsiasi campo della comunicazione risulta ancora fantascienza ma sapere che ci sono squadre di scienziati che ci lavorano realmente può rivelarsi una notizia più che positiva.
Poter abbattere il limite della velocità della luce per quanto riguarda le comunicazioni aprirebbe una nuova era delle comunicazioni stesse e le conseguenze, almeno al momento, non sono neanche immaginabil
La capacità delle particelle quantistiche di vivere in stati indefiniti – come il proverbiale gatto di Schrödinger, sia vivo sia morto – è usata da anni per migliorare la crittografia dei dati.
Ma Wehner, ora alla Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, e altri ricercatori sostengono che la meccanica quantistica potrebbe essere usata per fare molto di più, sfruttando la misteriosa capacità della natura di collegare,
grazie all’entanglement, oggetti lontani tra loro e teletrasportare informazioni da uno all’altro. All’inizio tutto sembrava molto teorico, dice Wehner. Ora “c’è la speranza di realizzarlo”.
I sostenitori affermano che un’Internet di questo tipo potrebbe aprire un intero universo di applicazioni che non sono possibili con le comunicazioni classiche, come collegare tra loro computer quantistici, costruire telescopi a risoluzione
elevatissima usando osservatori molto distanti tra lodo e anche definire nuovi metodi per rilevare le onde gravitazionali. Alcuni la vedono come una cosa che un giorno sostituirà Internet nella sua forma attuale.
“Personalmente, ritengo che in futuro la maggior parte delle comunicazioni, se non addirittura tutte, saranno di tipo quantistico”, afferma Anton Zeilinger fisico dell’Università di Vienna, che nel 1997 ha effettuato uno dei primi esperimenti
sul teletrasporto quantistico.
Un gruppo di Delft ha già iniziato a costruire la prima vera rete quantistica, che collegherà quattro città dei Paesi Bassi. Il progetto, che dovrebbe concludersi nel 2020, potrebbe essere la versione quantistica di ARPANET,
una rete di comunicazione sviluppata dalle forze armate statunitensi alla fine degli anni sessanta che ha aperto la strada all’Internet di oggi.
Wehner, che è coinvolta nel progetto, sta anche coordinando un progetto europeo più ampio, chiamato Quantum Internet Alliance, che mira a estendere l’esperimento olandese su scala continentale. Come parte di questo processo,
lei e altri stanno cercando di riunire scienziati informatici, ingegneri ed esperti di sicurezza della rete per progettare la futura Internet quantistica.
Molti dettagli tecnici devono ancora essere chiariti, e alcuni ricercatori sottolineano che è troppo presto per dire esattamente quanto potrebbe offrire un’Internet quantistica. Ma pensando in primo luogo alla sicurezza,
Wehner spera di evitare le vulnerabilità che Internet ha ereditato da ARPANET. “Forse avremo la possibilità di fare tutto bene fin dall’inizio”, afferma.
Chiavi quantistiche
Le prime proposte relative alle modalità di comunicazione quantistica risalgono agli anni settanta. Stephen Wiesner, allora giovane fisico della Columbia University di New York, intuì il potenziale di uno dei principi più basilari
della meccanica quantistica, secondo cui è impossibile misurare una proprietà di un sistema senza cambiarlo.
Wiesner suggerì che le informazioni avrebbero potuto essere codificate negli stati di oggetti come atomi isolati, i cui “spin” possono puntare verso l’alto o verso il basso – come 0 e 1 di un bit classico – ma possono anche trovarsi
in entrambi gli stati contemporaneamente. Queste unità di informazione quantistica sono ora comunemente chiamate bit quantistici, o qubit. Wiesner sottolineò che poiché le proprietà di un qubit non possono essere misurate
senza cambiare il suo stato, è anche impossibile farne copie esatte o “cloni”. Diversamente, qualcuno potrebbe estrarre informazioni sullo stato del qubit originale senza influenzarlo, semplicemente misurando il suo clone.
In seguito questo divieto divenne noto come teorema di no-cloning quantistico e si rivelò un vantaggio per la sicurezza, perché un hacker non può estrarre informazioni quantistiche senza lasciare traccia.
Ispirati da Wiesner, nel 1984 Charles Bennett, informatico dell’IBM a Yorktown Heights, New York, e il suo collaboratore Gilles Brassard, dell’Università di Montreal, in Canada, elaborarono uno schema ingegnoso con cui due utenti
possono generare una chiave di crittografia inviolabile, che solo loro conoscono. Lo schema dipende dal fatto che la luce può essere polarizzata, in modo che le onde elettromagnetiche oscillino in un piano orizzontale o verticale.
Un utente converte una sequenza casuale di 1 e 0 in una chiave quantistica codificata in questi due stati di polarizzazione e la invia in streaming a un’altra persona. In una sequenza di passaggi, il destinatario misura la chiave
e stabilisce che la trasmissione non è stata disturbata dalle misurazioni di uno spione. Fiduciosi nella sicurezza della chiave, le due parti possono quindi crittare qualsiasi messaggio costituito da bit classici, per esempio un’immagine,
e inviarlo come se fosse un qualsiasi altro messaggio crittografato sull’Internet convenzionale o qualsiasi altro canale.
Nel 1989, Bennett guidò il gruppo che per primo dimostrò sperimentalmente questa “distribuzione quantistica di chiavi” (quantum key distribution, QKD). Oggi, i dispositivi QKD che usano schemi simili sono disponibili in commercio
e generalmente sono venduti a organizzazioni finanziarie o governative. ID Quantique, per esempio, un’azienda fondata nel 2001 a Ginevra, in Svizzera, ha costruito un collegamento quantistico che ha protetto i risultati delle elezioni svizzere
per oltre dieci anni.
L’anno scorso, il satellite cinese Micius, nato da un’idea del fisico Pan Jianwei dell’Università cinese di Scienza e Tecnologia a Hefei, ha effettuato alcune delle dimostrazioni più evidenti dell’approccio. Usando una variante
del protocollo di Bennett e Brassard, il satellite ha creato due chiavi, poi ne ha inviata una a una stazione di terra a Pechino e un’altra a Vienna mentre ci passava sopra. Un computer di bordo poi ha combinato le due chiavi segrete
per crearne una nuova, che ha trasmesso con un canale classico. Dotati delle loro chiavi private, i gruppi di Vienna e di Pechino potevano decifrare quella chiave combinata essenzialmente sottraendo la propria, e conoscere così la chiave segreta
dell’altro. Con entrambe le chiavi, una squadra poteva decodificare una trasmissione che l’altra squadra aveva crittografato con la propria chiave. Lo scorso settembre, Pan e Zeilinger hanno usato questo approccio per stabilire la prima videochat
intercontinentale protetta in parte con una chiave quantistica.
I satelliti come Micius potrebbero contribuire ad affrontare una delle principali sfide per rendere sicure le comunicazioni quantistiche: la distanza. I fotoni necessari per creare una chiave di cifratura possono essere assorbiti dall’atmosfera o,
nel caso delle reti terrestri, da una fibra ottica che rende impraticabile la trasmissione quantistica dopo diverse decine di chilometri.
Poiché gli stati quantistici non possono essere copiati, non è possibile inviare più copie di un qubit nella speranza che ne arrivi almeno una. Al momento, quindi, la creazione di collegamenti QKD a lunga distanza richiede
la costruzione di “nodi fidati” che agiscano da intermediari. Se una persona accedesse illecitamente a un nodo fidato, che gestisce le chiavi nelle loro forme sia quantistiche sia classiche, sarebbe in grado di copiare le chiavi
senza essere rilevato – e così, naturalmente, potrebbe farlo il governo o l’azienda che gestisce il nodo. Questo vale sia per i nodi fidati a terra sia per Micius. “Il satellite sa tutto”, dice Pan. Ma i satelliti in transito potrebbero ridurre
il numero di nodi fidati necessari per collegare punti distanti.
Pan sostiene che i nodi fidati sono già un passo avanti per alcune applicazioni, poiché riducono il numero di punti in cui una rete è vulnerabile agli attacchi.
Lo scienziato ha anche diretto la creazione dell’estesa dorsale di comunicazione quantistica tra Pechino e Shanghai. Lanciata a settembre, essa connette quattro città con 32 nodi fidati usando più di 2000 chilometri di fibra ottica
e attualmente è testata per comunicazioni bancarie e commerciali, come per esempio il collegamento ai data center del gigante di shopping on line Alibaba, dice Pan.
Ma le reti che coinvolgono i nodi fidati sono quantistiche solo in parte. La fisica quantistica ha un ruolo solo nel modo in cui i nodi creano la chiave di crittografia; la successiva cifratura e trasmissione delle informazioni è del tutto classica.
Una vera e propria rete quantistica sarebbe in grado di sfruttare entanglement e teletrasporto per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze, senza la necessità di nodi fidati vulnerabili.
Una delle principali motivazioni per la costruzione di reti simili è permettere ai computer quantistici di dialogare tra loro, sia tra paesi diversi sia in una stessa stanza. Il numero di qubit che possono essere inseriti in un sistema informatico
potrebbe essere limitato, per cui il collegamento in rete dei sistemi potrebbe aiutare i fisici a incrementarlo. “Al momento è onesto dire che probabilmente saremo in grado di costruire un computer quantistico
con forse un paio di centinaia di qubit”, dice Mikhail Lukin, fisico della Harvard University a Cambridge, in Massachusetts. “Ma per andare oltre, l’unico modo è usare questo approccio modulare, che coinvolge la comunicazione quantistica.”
Su scala più ampia, i ricercatori immaginano un cloud per il calcolo quantistico, con macchine altamente sofisticate accessibili attraverso un’Internet quantistica dalla maggior parte dei laboratori universitari.
“La cosa più interessante è che anche questo calcolo quantistico su cloud è sicuro”, dice Ronald Hanson, fisico sperimentale della Delft. “Le persone al server non sono in grado di sapere che tipo di programma stai eseguendo e quali dati hai”.
I ricercatori hanno presentato tante altre proposte di applicazioni per Internet – come aste, elezioni, negoziati contrattuali e scambi commerciali rapidi – che potrebbero sfruttare i fenomeni quantistici per essere più veloci o più sicuri rispetto alle loro controparti classiche.
Ma l’impatto più grande di un’Internet quantistica potrebbe essere sulla scienza stessa. Secondo alcuni ricercatori, la sincronizzazione degli orologi usando l’entanglement potrebbe migliorare la precisione delle reti di navigazione simili al GPS da metri a millimetri. Inoltre, Lukin e altri hanno proposto di usare l’entanglement per combinare orologi atomici distanti tra loro in un singolo orologio con una precisione notevolmente migliorata, che, sempre secondo Lukin,
potrebbe portare a nuovi modi di rilevare le onde gravitazionali, per esempio. In astronomia, le reti quantistiche potrebbero collegare telescopi ottici distanti migliaia di chilometri, in modo da dare loro la risoluzione di una singola parabola
che copre la stessa distanza. Questo processo, chiamato interferometria a base molto ampia (very long baseline interferometry), è applicato di routine nella radioastronomia, ma il funzionamento alle frequenze ottiche richiede una precisione
temporale che attualmente è fuori portata.