Come quello che arriva dalle retrovie e passa davanti a tutti mentre meno se l’aspettano, Microsoft ha raggiunto un risultato che molti credevano impossibile: dopo 17 anni di ricerca, ha annunciato la creazione di Majorana 1, il primo processore quantistico basato su qubit topologici. Si tratta di una svolta epocale che potrebbe ridefinire completamente il panorama del quantum computing, superando gli attuali limiti dei computer quantistici sperimentali. Il traguardo, pubblicato in un articolo peer-reviewed sulla rivista scientifica Nature, rappresenta un punto di svolta per la tecnologia quantistica. Gli scienziati di Microsoft sono riusciti a creare e controllare particelle che molti avevano giudicato troppo elusive per essere sfruttate nella costruzione di computer.
La particolarità di Majorana 1 è che utilizza un nuovo tipo di materiale chiamato “topoconduttore” (cioè un conduttore di energia di tipo topologico; la topologia branca della matematica che studia gli spazi che rimangono invariati sotto deformazioni continue), sviluppato specificamente per questa tecnologia. Questo materiale, realizzato combinando indio arsenide e alluminio, permette di osservare e manipolare le particelle di Majorana in modo stabile. Il chip attuale ospita già otto qubit topologici, ma la vera rivoluzione è che con questa architettura Microsoft prevede di poter inserire fino a un milione di qubit su un singolo chip non molto più grande delle attuali CPU. Si tratta di numeri che sembravano fantascienza fino a poco tempo fa e che potrebbero rendere possibili calcoli quantistici a livello industriale.
“I nostri migliori ricercatori hanno lavorato a questo programma per gli ultimi 17 anni. È il programma di ricerca più lungo nella storia dell’azienda“, ha detto Zulfi Alam, vice presidente del settore quantum di Microsoft. “Dopo tutto questo tempo, stiamo finalmente mostrando risultati che non sono solo incredibili, sono reali. Ridefinirà fondamentalmente come avverrà la prossima fase del viaggio quantistico”. Attenzione: Microsoft ha “visto” la strada, ma non l’ha ancora percorsa. Il chip è stato sperimentato ma solo in versione preliminare. La strada per arrivarci è stata lunga e tortuosa, con diversi falsi allarmi lungo il percorso, inclusa la pubblicazione e successiva ritrattazione di un articolo nel 2018 a causa di incongruenze nei dati. Adesso comincia la parte complessa per riuscire a farlo, ma almeno i ricercatori hanno capito come.
Dal teorico al pratico: le particelle di Majorana
Il nome del processore rende omaggio al fisico italiano Ettore Majorana, uno dei “ragazzi di via Panisperna“, che nel 1937 teorizzò l’esistenza di particelle fermioniche che fossero anche le proprie antiparticelle. Majorana, genio della fisica teorica e allievo di Enrico Fermi, scomparve misteriosamente nel 1938 durante un viaggio in nave da Palermo a Napoli, in circostanze mai chiarite. La sua teoria sulle particelle che oggi portano il suo nome ha attraversato quasi un secolo prima di trovare un’applicazione pratica in questo innovativo chip quantistico.
Le particelle di Majorana sono rimaste a lungo un concetto puramente teorico, tanto che molti fisici dubitavano della possibilità di osservarle direttamente. Nel 2014, un analogo matematico di queste particelle fu osservato nella fisica della materia condensata, ma si trattava di quasiparticelle, non di particelle elementari vere e proprie. Il lavoro di Microsoft rappresenta quindi un passo avanti significativo, portando queste entità dal regno della teoria a quello della tecnologia applicata. La capacità di controllare queste particelle apre scenari completamente nuovi per il computing quantistico.
I fermioni di Majorana offrono un vantaggio fondamentale rispetto agli altri stati della materia: la capacità di mantenere l’informazione quantistica molto più a lungo rispetto ad altri approcci. Nelle architetture quantistiche tradizionali, i qubit sono estremamente sensibili al rumore ambientale (cioè a qualsiasi tipi di interferenza data da altre particelle ambientali) e perdono rapidamente la loro coerenza quantistica, fenomeno noto come “decoerenza”. Per questo nei computer quantistici realizzati finora i qubit vengono tenuti in ambienti isolati e a temperatura prossima allo zero assoluto, in maniera tale che permettano il massimo della conduzione senza resistenza. Lo zero assoluto vuol dire che non c’è nessuna resistenza e i materiali diventano superconduttori, mentre simmetricamente si riduce il rischio di interferenze e decoerenza, almeno sino a quando il calcolo non è stato completato.
Invece, i qubit topologici basati sulle particelle di Majorana, invece, immagazzinano l’informazione in modo distribuito attraverso l’intera struttura, rendendola molto più resistente agli errori. Una soluzione che permette in teoria di avere non solo qubit a “temperatura ambiente“, ma anche in contenitori molto più piccoli dei thermos usati per le architetture tradizionali dei computer quantistici. Chip, insomma, sulla carta simili (anche se un po’ più grandi) a quelli usati dai computer classici.
La corsa al computer quantistico
La competizione nel campo del quantum computing è serratissima, con aziende come il colosso Ibm, il gigante Google e tantissime startup specializzate come IonQ, che seguono approcci diversi. Quando parliamo di “computer quantistico”, infatti, in realtà parliamo di filosofie e tecnologie completamente diverse, tentate per riuscire a conquistare un settore che conosciamo bene in teoria ma che nella pratica ci sfugge ancora perché molto elusivo.
La maggior parte dei concorrenti utilizza qubit fisici che richiedono un enorme apparato di correzione degli errori. Secondo Jason Zander, vicepresidente esecutivo di Microsoft, i qubit topologici dell’azienda potrebbero richiedere solo circa 100 qubit aggiuntivi per la correzione degli errori per ogni qubit operativo, contro i circa mille necessari con altre tecnologie.
Il progetto di DARPA
Quando arriverà questo prodigio basato sui fermioni di Majorana, i qubit topologici? Microsoft prevede di costruire un computer quantistico completo entro la fine del decennio, capace di eseguire un milione di operazioni quantistiche affidabili al secondo. La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha selezionato Microsoft come una delle due aziende che avanzeranno alla fase finale del suo programma Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC). Questo programma è volto a sviluppare computer quantistici utilizzabili su scala industriale in “anni, non decenni”.
La roadmap di Microsoft prevede diversi passaggi intermedi prima di raggiungere l’obiettivo finale. Il prossimo passo consisterà nella costruzione di qubit protetti a livello hardware, seguiti dall’intreccio di questi qubit attraverso un processo chiamato “braiding”. L’azienda dovrà poi realizzare un sistema multiqubit più piccolo e dimostrare un sistema quantistico completo. È un piano ambizioso, ma Microsoft sembra ora avere le basi tecnologiche per realizzarlo.
Applicazioni rivoluzionarie all’orizzonte
Ma a cosa serve un computer quantistico? E un milione di qubit sono tanti o pochi? Quanto “vale” un qubit rispetto a un transistor tradizionale? Un computer quantistico con un milione di qubit potrebbe risolvere problemi attualmente intrattabili per i computer classici. Le applicazioni spaziano dalla scoperta di nuovi farmaci alla progettazione di materiali rivoluzionari, dalla simulazione di sistemi chimici complessi all’ottimizzazione di problemi logistici su scala globale. Chetan Nayak, Microsoft Technical Fellow, ha sottolineato che “un computer quantistico con un milione di qubit non è solo una pietra miliare, è una porta d’accesso alla risoluzione di alcuni dei problemi più difficili del mondo”.
Nel campo farmaceutico, un computer quantistico potrebbe simulare con precisione le interazioni molecolari, accelerando drasticamente lo sviluppo di nuovi medicinali. Per la scienza dei materiali, potrebbe prevedere proprietà di nuovi composti prima ancora di sintetizzarli fisicamente, aprendo la strada a superconduttori a temperatura ambiente o batterie rivoluzionarie. Nella crittografia, potrebbe sia rappresentare una minaccia per gli attuali sistemi di sicurezza sia offrire nuovi protocolli di comunicazione quantistica impossibili da violare.
Il logico sviluppo delle tecnologie di quantum computing non è però quello di realizzare uno strumento rivoluzionario completamente isolato, nel vuoto pneumatico, per così dire. Invece, si tratta di creare un sistema che sia capace di funzionare in maniera efficace ed efficiente all’interno di un insieme di tecnologie diverse. Per questo Microsoft ha anche annunciato Azure Quantum Elements, una piattaforma per accelerare la scoperta scientifica combinando calcolo ad alte prestazioni, intelligenza artificiale e quantum computing. L’azienda ha inoltre presentato Copilot per Azure Quantum, un modello di intelligenza artificiale appositamente addestrato che può aiutare scienziati e studenti a generare calcoli e simulazioni quantistiche. Questi strumenti preparano il terreno per un’adozione più ampia della tecnologia quantistica.
Un futuro ancora incerto
Quindi, ci siamo? La rivoluzione è servita? Forse sì, ma forse anche no. Nonostante l’entusiasmo, alcuni esperti mantengono un certo scetticismo. Jensen Huang, Ceo di Nvidia, ha recentemente dichiarato che i computer quantistici utili sono ancora lontani 20 anni, in netto contrasto con le previsioni di Microsoft. Sankar Das Sarma, professore di fisica all’Università del Maryland, ha riconosciuto che i dati presentati da Microsoft rappresentano una svolta significativa, ma ha anche sottolineato che esiste ancora una piccola possibilità che i risultati possano essere spiegati da fenomeni diversi dal controllo delle elusive particelle di Majorana.
L’osservazione è prudente e forse più vicina alla verità di quanto Microsoft non vorrebbe. Il percorso di ricerca dell’azienda di Redmond è stato tormentato da problemi nella realizzazione di componenti capaci di produrre e controllare le particelle di Majorana. Prima di questo annuncio, alcuni investitori nel campo del quantum computing avevano paragonato la ricerca di Microsoft alla fusione fredda, diventata sinonimo di promesse scientifiche esagerate. Sarà fondamentale vedere come questi risultati preliminari si tradurranno in sistemi quantistici pratici e scalabili.
Intanto, il Majorana 1 rappresenta comunque un passo avanti significativo nel campo del quantum computing, che potrebbe alterare radicalmente il panorama tecnologico globale. Se Microsoft riuscirà a mantenere le proprie promesse, potremmo assistere a una nuova rivoluzione tecnologica paragonabile all’avvento dei microprocessori o di internet o dell’intelligenza artificiale. Nel frattempo, la ricerca continua, e il fantasma di Ettore Majorana sembra aleggiare su una delle più promettenti frontiere della fisica moderna.
