Microsoft lancia Majorana 1, il primo chip quantistico del suo genere: come funziona e cosa sappiamo

Microsoft ha recentemente svelato Majorana 1, il primo chip quantistico del suo genere, che apre la porta ai cosiddetti computer quantistici topologici e mette l'azienda di Redmond in prima linea nel campo del quantum computing. Questo processore, grande quanto il palmo di una mano, è il primo al mondo a sfruttare qubit topologici (8 per la precisione), una nuova classe di qubit che promette di superare uno dei principali limiti dei computer quantistici tradizionali: la fragilità e la necessità di sofisticati sistemi di correzione degli errori. Grazie all’utilizzo delle quasi-particelle di Majorana, eccitazioni quantistiche simili alle particelle teorizzate dal fisico Ettore Majorana nel 1937, il colosso di Redmond ha realizzato un'architettura in grado di scalare fino a 1 milione di qubit, una quantità impensabile per gli attuali computer quantistici basati su qubit convenzionali. La sua stabilità potrebbe accelerare l'adozione pratica della computazione quantistica, portando applicazioni concrete in settori come la chimica, la scienza dei materiali e l'intelligenza artificiale. Ma come funziona esattamente Majorana 1? E perché i qubit topologici rappresentano una svolta epocale?

Come funziona il chip Majorana 1: i qubit topologici e la differenza con gli altri chip per il quantum computing

Per capire il valore di questa innovazione, è utile ripassare il concetto di qubit e il funzionamento dei computer quantistici. A differenza dei computer “classici”, che utilizzano bit binari (0 e 1), i computer quantistici si basano sui qubit, unità di informazione che possono esistere in più stati contemporaneamente grazie a un fenomeno chiamato sovrapposizione quantistica. In questo modo, sfruttando particolari proprietà quantistiche che si manifestano sulla scala delle particelle subatomiche ma non sulla scala macroscopica, un bit quantistico può anche assumere valori intermedi tra 0 e 1. Questo consente di eseguire calcoli estremamente complessi in parallelo, fornendo una potenza di calcolo potenzialmente superiore a quella di qualunque supercomputer classico, aprendo la porta ad applicazioni potenzialmente rivoluzionarie.

I qubit tradizionali, però, sono notoriamente instabili: per poter codificare un qubit occorrono sistemi quantistici posti in condizioni tutt'altro che spontanee, e dunque interferenze ambientali anche molto piccole possono alterarli e compromettere i calcoli. Per mantenere l'affidabilità del sistema, i computer quantistici attuali necessitano di un numero enorme di qubit di supporto per la correzione degli errori. Per esempio, in alcuni processori recenti, per ottenere 48 qubit logici utilizzabili, sono stati necessari ben 280 qubit fisici.

Ed è qui che Majorana 1 fa la differenza. Microsoft ha sviluppato un particolare tipo di qubit, chiamati per l'appunto qubit topologici, che sono intrinsecamente più stabili e meno soggetti a errori. Come suggerisce vagamente il nome, un quibit topologico codifica l'informazione non tanto attraverso lo stato quantistico di una particella, ma attraverso le correlazioni tra gli stati quantistici di un gran numero di particelle che interagiscono sulla superficie di un microscopico superconduttore.

I qubit topologici immagazzinano l'informazione quantistica in un modo da resistere molto alle perturbazioni esterne, proprio perché l'informazione è distribuita in un intero sistema quantistico piuttosto che su una singola particella o un singolo atomo. Nel caso del chip Majorana 1, questo si ottiene tramite particolari particolari eccitazioni quantistiche chiamate quasi-particelle di Majorana, che "appaiono" in modo simile alle particelle di Majorana, particelle teorizzate dal fisico italiano che coincidono con la propria antiparticella. Al di là dei dettagli fisici, che sono molto complessi, il punto è che queste quasi-particelle risultano da proprietà collettive di un sistema quantistico e non dallo stato quantistico di una singola particella soggetta a enormi instabilità. In altre parole, il qubit topologico è protetto dagli errori grazie alla sua stessa struttura fisica, cosa che va a eliminare la necessità di sistemi complessi di correzione.

Microsoft ha realizzato il processore Majorana 1 utilizzando una struttura chiamata topoconduttore, un sistema costituito da un nano-filo di materiale semiconduttore (in questo caso arseniuro di indio) molto vicino a un materiale superconduttore contenente alluminio. Nelle giuste condizioni (uno specifico campo magnetico e una temperatura prossima allo zero assoluto), il nano-filo semiconduttore diventa anch'esso superconduttore e questo consente l'emergere delle quasi-particelle di Majorana in grado di costituire un qubit topologico.

Il chip presentato contiene appena 8 qubit, ma è efficacemente scalabile: la sua architettura permette di aumentare il numero di qubit senza ingrandire il chip. Tant'è che si parla di una prospettiva di 1 milione di qubit in un unico chip, mentre gli attuali computer quantistici occupano intere stanze per raggiungere solo poche decine di qubit logici funzionanti.

Le possibili applicazioni di Majorana 1

Un computer quantistico con 1 milione di qubit potrebbe rivoluzionare interi settori, tra qui quelli citati qui sotto.

• Chimica e scienza dei materiali: progettazione di nuovi materiali auto-riparanti per edifici e dispositivi elettronici.
• Sostenibilità ambientale: sviluppo di catalizzatori per la decomposizione delle microplastiche e di alternative ecologiche ai materiali inquinanti.
• Agricoltura e biotecnologie: ottimizzazione degli enzimi per migliorare la fertilità del suolo e la resa delle colture.
• Intelligenza artificiale: miglioramento degli algoritmi di machine learning attraverso simulazioni avanzate impossibili per i supercomputer attuali.

Riguardo all'utilità di un simile sistema, Microsoft ha commentato:

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.

Dopo 17 lunghi anni di ricerca, Microsoft ha finalmente presentato un processore che potrebbe rendere la computazione quantistica realmente pratica e scalabile. Il progetto è stato validato da una pubblicazione sulla prestigiosa rivista Nature e ha ricevuto l'attenzione della DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), che lo ha selezionato per la fase finale di un programma – chiamato US2QC – volto a realizzare un computer quantistico tollerante agli errori.

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