Smart City

A cosa può servire un contatore di atomi capace di enumerarli uno a uno anche quando sono riuniti in piccoli gruppi? Per esempio, a dar vita a nuovi orologi atomici, computer quantistici e simulatori quantistici. Può avere diverse funzionalità, in un momento storico in cui moltissime prospettive di sviluppo, tanto nella ricerca di base che nella ricerca applicata, convergono verso la capacità di manipolare gli atomi singolarmente. Un notizia è che al Laboratorio ArQuS - laboratorio congiunto tra l'Università di Trieste e l'Istituto Nazionale di Ottica del CNR, per la prima volta dei ricercatori sono riusciti a intrappolare, fotografare e contare singoli atomi con con una metodologia che potrebbe aprire la strada ad applicazioni concrete, basata su pinze e manipolatori fatti letteralmente di luce. I risultati degli studi condotti  al Laboratorio ArQuS sono stati pubblicati su Quantum Science and Technology e Physical Review Letters.

Ospite Francesco Scazza, professore di Fisica della Materia all'Università di Trieste, direttore del Laboratorio ArQuS.

Abbiamo appena imparato - si fa per dire - a familiarizzare col "qubit", l'unità fondamentale su cui si basa il calcolo quantistico, che già ci tocca fare i conti col fratello maggiore, il "qudit" - con la "D" di "Domodossola". Il qudit sta al qubit come il bit classico sta al byte, l'unità fondamentale di memoria che contiene 8 bit e che perciò può assumere 256 valori diversi, anziché solo due (0 o 1) come il semplice bit. La metafora rende l'idea dell'obiettivo a cui si punta: una specie di super qubit che possa rappresentare un'informazione più complessa, verrebbe da dire multidimensionale, rispetto a quanto già esiste. Perché il problema è proprio qui. I qubit bene o male abbiamo imparato a fabbricarli, mentre i qudit ancora no, e non manca chi pensa che senza qudit non arriveremo mai a computer quantistici come quelli di cui sentiamo spesso parlare.

Ospite Francesco Scazza, professore di Fisica della Materia all'Università di Trieste, direttore del Laboratorio ArQuS.

Da tempo a Smart City teniamo d'occhio i numerosi tentativi di trovare qualcosa di più pratico degli odierni computer su cui far girare le reti neurali, ispirate alla struttura del cervello e alla base del recente successo dell'IA. L'architettura interna dei moderni computer è il contrario di una rete neurale, e infatti la simulazione costa un grande dispendio di energia. Mettere a punto nuove architetture di calcolo, intrinsecamente più simili alle reti neurali, per infine arrivare a un vero e proprio computer neuromorfico, è oggi l'obiettivo di un ampia gamma di studi, in cui si inserisce la ricerca di cui parliamo oggi, che ha portato allo sviluppo di un dispositivo chiamato transistor sinaptico fotonico, il quale imita in modo sorprendente il comportamento di una cellula cerebrale, compresa la capacità di modificarsi nel tempo in base agli stimoli ricevuti in passato, la quale a sua volta è alla base della capacità del cervello di apprendere.

Ospite Stefano Toffanin - Direttore di ricerca dell'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati del CNR di Bologna.

Negli ultimi anni la ricerca sullo stoccaggio dell'idrogeno ha aperto un nuovo filone che chiama in causa i cosiddetti clatrati, composti molto simili a ghiaccio formati da una miscela di acqua e metano, stabili ad alta pressione e a bassa temperatura, ma che appena vengono riportati in superficie iniziano a liberare metano. Come spiegato nella puntata precedente, riuscire a fare qualcosa di analogo con l'idrogeno potrebbe rappresentare una soluzione al problema tutt'ora irrisolto di accumulare grandi quantitativi di idrogeno, per lungo tempo, in modo sicuro e a costi accettabili. Il progetto "Alternative Hydrogen Storage by Enclathration", finanziato con 2 milioni di euro dal Fondo Italiano per la Scienza 2022-2023, che tenterà di intrappolare l'idrogeno in una forma cristallina dell'acqua grazie a dei "gasi di aiuto", si inserisce proprio in questo filone di ricerca. Ne parliamo ancora con Federico Rossi, professore di Fisica Tecnica presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Università degli Studi di Perugia, Laboratorio di Terni.

Lo stoccaggio dell'idrogeno rappresenta oggi uno dei punti più deboli della costruzione che vuole l'idrogeno nel ruolo di pivot del sistema energetico. E sebbene si lavori sullo stoccaggio sia di breve che di lungo termine, è soprattutto quando si parla di accumulare grandi quantitativi di idrogeno per lungo tempo che le soluzioni scarseggiano. È qui che la ricerca sta ora guardando ai cosiddetti clatrati, dei composti di cui c'è un esempio ben noto in natura: gli idrati di metano, conosciuti anche come "ghiaccio che brucia". Si tratta di un ghiaccio di acqua e metano, stabile alle alte pressioni e basse temperature che si trovano lungo le scarpate oceaniche, ma che una volta portato in superficie inizia a emettere metano tanto che lo si può accendere con un fiammifero. L'idea dei ricercatori è quella di riprodurre qualcosa di simile con l'idrogeno. Ne parliamo in questa e nella puntata successiva con Federico Rossi, professore di Fisica Tecnica presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Università degli Studi di Perugia, Laboratorio di Terni.

Oggi è stato presentato a Roma Qolossus 2.0, il primo quantum computer fotonico italiano ideato dalla Sapienza di Roma e realizzato insieme al CNR di Milano e all'Università di Pavia nell'ambito del "Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing", uno dei 5 Centri nazionali finanziati dal PNRR. Il computer quantistico fotonico è l'ultimo arrivato e offre in prospettiva alcuni vantaggi, il più importante dei quali è che non richiede tecnologie ad hoc e condizioni criogeniche estreme per funzionare, ma può invece stare dentro i cassetti di un armadio a rack come quelli di cui i data-center sono pieni, e le tecnologie per costruirlo sono le stesse dell'industria elettronica. Ce lo spiega Fabio Sciarrino, che guida il Quantum Lab dell'Università Sapienza di Roma.

Una delle più importanti frontiere della chimica guarda oggi non a come realizzare nuovi composti, ma a come smontare quelli vecchi. L'obiettivo è riciclare i materiali a livello molecolare: da un lato per conservare al massimo le proprietà dei materiali da un ciclo all'altro, riducendo al minimo i fenomeni di degrado; dall'altro per rendere possibile il riciclo di materiali misti o compositi, che non possono essere separati. Tra questi ci sono sicuramente i tessuti. L'impatto ambientale del campo della moda è uno dei più rilevanti e i tessuti sono tra i materiali più difficili da riciclare, in quanto la maggior parte dei capi sono composti da fibre miste e inseparabile tra loro. È qui che il "riciclo molecolare" può fare la differenza. Ne parliamo con Elena Rosini, professoressa di Bio-Chimica dell'Università dell'Insubria.

Creare computer che funzionano con neuroni veri, anziché simularli al computer, per dar vita alle reti neurali. Questo è l'obiettivo di Finalspark, start-up svizzera che si inserisce in un campo di studi recentissimo, quello del cosiddetto "wet computing", o bio-computing. Finalspark ha realizzato un computer biologico minimale, accessibile online, col quale ognuno può esercitarsi sia a sperimentare calcoli e algoritmi, sia a studiare il comportamento dei neuroni e come rispondono a diverse classi di stimoli. Per ora il suo utilizzo come piattaforma per fare ricerca è senz'altro prevalente, ma l'obiettivo finale sarà quello di incanalare la capacità delle reti neurali biologiche di funzionare con una efficenza energetica un milione di volte superiore a quella dei computer tradizionali. Ce lo spiega Flora Brozzi, ricercatrice di Finalspark. 

Torniamo al politecnico di Torino per continuare a parlare dei primi risultati ottenuti nell'ambito del progetto MOST-Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile. Questa parte del progetto è dedicata alla mobilità aerea sostenibile e ha visto l'ateneo torinese impegnato nello sviluppo di fondamentali di nuovi paradigmi di mobilità e logistica, che vanno configurandosi intorno all'architettura dei cosiddetti droni: si va dagli studi di aerodinamica, ai sistemi di controllo e gestione digitale delle operazioni, fino alla progettazione dei vertiporti dedicati agli eVTOL (Electric Vertical Take-Off and Landing), su cui si punta per la mobilità aerea urbana e regionale dei prossimi anni. Ne parliamo con Giorgio Guglieri, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale-DIMEAS.

Un veicolo elettrico innovativo per la mobilità urbana ed extraurbana, pesante meno di una tonnellata e dotato di un sistema che consente di sostituire rapidamente la batteria scarica con una già carica. Il veicolo è uno dei primi risultati che il Politecnico di Torino ha ottenuto nell'ambito del progetto MOST-Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile, uno dei cinque Centri Nazionali finanziati dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR). Ce ne parla Andrea Tonoli, professore di Costruzione di veicoli del Politecnico di Torino.