Quanto: giocare con la fisica quantistica

Come spiegare cosa sia un qubit senza far ricorso a formule matematiche? Oppure cosa significhi “misurare” uno stato quantistico? I principi alla base della fisica quantistica possono essere trasmessi anche con un gioco di carte. È proprio questa la sfida raccolta da “Quanto”, gioco ideato per esplorare nuovi linguaggi educativi in grado di avvicinare anche i più giovani a una delle discipline più affascinanti e spesso considerate più ostiche della scienza contemporanea. 

Nell’arco degli ultimi trent’anni, l’insegnamento universitario della meccanica quantistica ha subito una trasformazione significativa. Se prima l’attenzione era rivolta principalmente a un approccio storico - basato sull'equazione di Schrödinger o sui modelli atomici - oggi molti corsi introduttivi sono orientati verso applicazioni più contemporanee, come lo sviluppo dei computer quantistici. Il passaggio dall’informatica classica al quantum computing ha concentrato l’attenzione sugli aspetti operativi della teoria quantistica, in particolare sull’elaborazione dell’informazione quantistica. I qubit (quantum bit) sono l’unità fondamentale di informazione in questo contesto, analoghi ai bit dell’informatica tradizionale. A differenza di un bit classico che può assumere solo il valore 0 o 1, un qubit può esistere in una sovrapposizione di entrambi gli stati.

Immaginiamo una moneta: un bit classico è come una moneta che mostra solo testa (0) o croce (1). Un qubit, invece, è come una moneta sospesa a mezz’aria, che esiste in entrambi gli stati contemporaneamente fino a quando non viene “osservata”. Partendo da questo sistema semplice, è possibile applicare trasformazioni logiche - rappresentate da operatori - che permettono di passare da uno stato quantistico all’altro. Operazioni apparentemente complesse diventano abbordabili e concetti astratti possono essere resi più accessibili attraverso strumenti come un gioco di carte come spiega Chiara Menotti del Pitaesvkii Bec Center, sede di Trento dell'Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr: “Volevamo uno strumento che permettesse anche ai più giovani di scoprire che la meccanica quantistica può essere capita e affrontata, senza timori, e il gioco è stato ispirato dal fatto che il comportamento di stati e operatori quantistici - la cui struttura è quella dell'algebra lineare - si presta perfettamente a essere rappresentato in modo intuitivo e implementato nella logica di un gioco di carte”.

Quanto è uno shedding game, un tipo di gioco in cui si vince liberandosi per primi di tutte le carte. I partecipanti ricevono carte stato, mentre sul tavolo sono disposte carte operatore. Scopo del gioco è utilizzare gli operatori per trasformare uno dei propri stati in quello mostrato sul banco e quindi “scartare” la carta. Il gioco si basa su regole logiche semplici ma efficaci, che rappresentano trasformazioni tra stati, proprio come accade nella meccanica quantistica con i qubit. Le partite attivano l’osservazione e il ragionamento, rendendo la fisica quantistica più familiare e meno astratta. A rendere il tutto ancora più realistico, entrano in gioco le carte misura, che esplicitano il principio di sovrapposizione e introducono il concetto di indeterminazione. “Un giocatore può chiedere a un avversario di ‘misurare’ lo stato scelto: ‘su o giù?’. Ma il risultato non è determinato, è prevedibile solo in termini di probabilità: se la previsione è sbagliata, si pescano penalità”, spiega Recati. “La carta misura è un modo per far vivere in prima persona la natura stocastica della meccanica quantistica e il concetto di collasso della funzione d'onda. Non solo. Giocando al livello più avanzato, anche i più piccoli imparano come entrare e uscire dal mondo speciale degli stati entangled, dove la misura permette di constatare direttamente le straordinarie proprietà dell'entanglement quantistico".

Con la misura e le altre azioni speciali viene anche introdotto un elemento di interazione tra giocatori, importante in Quanto come in tutti i giochi di società. Alla base del gioco ci sono nozioni scientifiche reali, ma Quanto non ha l’obiettivo di sostituire lo studio: è pensato per affiancarlo, per seminare interesse e dare una forma ludica a una materia spesso percepita come distante. In un momento storico in cui i ragazzi sono particolarmente recettivi e svegli, questo gioco mira a rimuovere le sovrastrutture e a rendere l’apprendimento più naturale. “Certi fenomeni vanno ‘sentiti’ prima di essere capiti. Un po’ come quando afferri al volo una palla: non risolvi un’equazione, agisci in modo istintivo. Con Quanto proviamo a dare questa prima forma di immediatezza alla fisica quantistica, che non ha ancora avuto modo di entrare a far parte del nostro bagaglio intuitivo perché, pur essendo fondamentale per comprendere il mondo, non è necessaria per viverci”, chiarisce Recati.

Il gioco fa parte delle iniziative della rete Changegame, che coinvolge 20 Istituti Cnr in 10 regioni e, dal 2022, promuove il dialogo tra scuola e ricerca con strumenti capaci di stimolare partecipazione e pensiero critico. Per essere davvero efficace, il gioco non deve restare un episodio isolato. Menotti e Recati insistono sull’importanza di materiali di supporto per docenti e studenti - schede, tutorial, risorse online. La loro ricerca mira proprio a capire quali strumenti favoriscano meglio l’apprendimento, così da offrire ai docenti contenuti accessibili, adattabili ai diversi contesti scolastici e utilizzabili anche in autonomia, non solo in presenza di esperti esterni.

Alla domanda sulla differenza tra divulgazione ed educazione scientifica, Menotti e Recati concordano nel distinguere due approcci complementari: la divulgazione come condivisione libera di conoscenze, senza aspettative di risposta o applicazione diretta da parte del destinatario; l’educazione, invece, come trasferimento strutturato di strumenti e competenze, con l’intento che vengano compresi, interiorizzati e messi in pratica. “Quanto si colloca esattamente su questa linea sottile, ma potente, con un obiettivo triplice: offrire un’esperienza ludica attraverso il gioco, favorire la divulgazione di concetti complessi in modo accessibile e contribuire a un’autentica educazione, capace di stimolare nei ragazzi non solo la curiosità, ma anche la comprensione attiva e il desiderio di approfondire”, concludono i ricercatori.

In un’epoca in cui l’apprendimento si evolve, anche un mazzo di carte può diventare uno strumento efficace per coltivare la curiosità scientifica e formare le menti del futuro.

Fonte: Chiara Menotti, Istituto nazionale di ottica, chiara.menotti@ino.cnr.it; Alessio Recati, Istituto nazionale di ottica, alessio.recati@ino.cnr.it