Majorana 1, primo chip quantistico su qubit topologici: cosa significa

Come risultato di un’intensa attività di ricerca e sviluppo, Microsoft ha presentato quest’oggi Majorana 1, il primo chip quantistico al mondo basato su qubit topologici. L’azienda di Redmond svela il nuovo dispositivo come un importante punto di svolta nel mondo dei computer quantistici. Si schiude dinanzi a noi, quindi, la concreta opportunità di realizzare computer quantistici davvero utili nel giro di anni e non decenni, come avevano invece pronosticato alcuni esperti anche in tempi recenti.

Cosa significa che Microsoft Majorana 1 supporta i qubit topologici

Nell’annuncio odierno, i responsabili di Microsoft spiegano di aver concentrato gli sforzi sullo sviluppo dei cosiddetti superconduttori topologici, una nuova classe di materiali capace di raggiungere uno stato della materia mai osservato prima, né solido, né liquido, né gassoso, ma “topologico”. Il materiale combina semiconduttori come l’arseniuro di indio con superconduttori come l’alluminio, progettati e fabbricati a livello atomico per ottenere nanofili superconduttivi topologici.

Quando raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e sottoposti a campi magnetici, questi materiali generano le Modalità Zero di Majorana (MZMs), particelle esotiche che immagazzinano informazioni quantistiche in modo protetto. Per quasi un secolo, queste particelle sono rimaste un concetto teorico presente nei libri di testo: Microsoft spiega di essere riuscita a crearle e controllarle su richiesta, rendendole il fondamento dei suoi qubit topologici.

Abbiamo detto che i qubit sono l’unità di calcolo fondamentale per il quantum computing. Basandosi sul nuovo stato della materia introdotto dai superconduttori topologici, Microsoft ha creato un nucleo topologico che include 8 qubit topologici. Questi qubit sono significativamente più piccoli, veloci e stabili rispetto ai qubit tradizionali, occupando uno spazio di appena 1/100 di millimetro.

La loro stabilità deriva dalla protezione hardware intrinseca offerta dalla struttura topologica, che li rende resistenti agli errori causati dall’ambiente esterno. Inoltre, i qubit topologici sono controllati digitalmente attraverso impulsi elettrici, eliminando la necessità di ricorrere a complessi segnali analogici e semplificando notevolmente la gestione di grandi quantità di qubit.

Una tecnologia pronta per il debutto su larga scala

Gli ingegneri Microsoft descrivono l’impatto della nuova tecnologia, spiegando come l’individuazione di una “ricetta” capace di implementare correzioni degli errori in modo più efficiente rispetto ai qubit tradizionali sia di per sé un elemento di decisa rottura rispetto a tutto quanto visto fino ad oggi.

L’impatto potenziale di un computer quantistico da un milione di qubit è qualcosa di straordinario. Potrebbe rivoluzionare settori come la chimica, la scienza dei materiali e l’agricoltura. Ad esempio, potrebbe consentire la creazione di materiali auto-riparanti per ponti o schermi di smartphone, catalizzatori per abbattere microplastiche o sviluppare alternative sostenibili, e persino ottimizzare enzimi per migliorare la fertilità del suolo o promuovere coltivazioni in climi estremi.

Tutti i computer attualmente operativi nel mondo, messi insieme, non possono fare ciò che un computer quantistico da un milione di qubit sarà in grado di fare. Questo comporta che tutto ciò che oggi richiede anni di esperimenti e risorse ingenti potrebbe essere risolto in modo rapido ed efficiente grazie alla potenza del quantum computing.

La tecnologia oggi svelata da Microsoft è validata da autorevoli riconoscimenti scientifici e istituzionali. Un articolo peer-reviewed pubblicato su Nature conferma la capacità di Microsoft di creare e misurare con precisione le proprietà esotiche dei qubit topologici, un passo essenziale verso l’utilizzo pratico. Inoltre, DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ha selezionato Microsoft per la fase finale del programma US2QC, che mira a sviluppare il primo computer quantistico tollerante agli errori su scala industriale.

Majorana 1 è parte di un ecosistema integrato che include elettronica di controllo, software avanzati e infrastrutture di raffreddamento estremo. Progettato per integrarsi nei data center Azure, rende la potenza quantistica accessibile tramite il cloud, aprendo nuove possibilità per aziende e ricercatori.

Il nome Majorana non è soltanto evocativo: ecco perché

Davvero apprezzabile il fatto che Microsoft abbia scelto proprio Majorana come nome per il suo innovativo progetto. La scelta, tuttavia, non è semplicemente “celebrativa”.

Ettore Majorana (1906-1938?) è stato un fisico teorico italiano, originario di Catania, di straordinario talento. È famoso per i suoi contributi alla meccanica quantistica e alla fisica delle particelle. Celebre non solo per le sue scoperte scientifiche, ma anche per il mistero legato alla sua scomparsa, avvenuta nel 1938 in circostanze mai chiarite.

Majorana ipotizzò l’esistenza di particelle che coincidono con le proprie antiparticelle, oggi note come fermioni di Majorana. Questa teoria è oggi al centro della ricerca in fisica delle particelle e nel quantum computing. Propose inoltre che i neutrini potessero essere particelle di Majorana, ossia prive di carica e capaci di annichilarsi con sé stesse. Questa ipotesi ha implicazioni fondamentali nella fisica moderna. Nel 1933 elaborò un modello matematico per descrivere le forze tra protoni e neutroni nel nucleo atomico, anticipando alcuni aspetti della cromodinamica quantistica.

A distanza di 87 anni dalla scomparsa del fisico siciliano, gli esperti di Microsoft hanno utilizzato la particella di Majorana come “supporto” per i calcoli quantistici: è tutto spiegato in questo punto del video di presentazione. Lo stato topologico della materia, la cui presenza era stata intuita da Majorana, è stato osservato e sfruttato per congegnare un nuovo tipo di conduttore, il topoconduttore, capace di funzionare sia come semiconduttore che come superconduttore.

E il chip ingegnerizzato nei laboratori Microsoft può misurare con precisione i comportamenti del topoconduttore, sfruttandone le proprietà sotto forma di qubit topologico. E il bello è che è possibile avere un chip da un milione di qubit che sta nel palmo di una mano!