Microsoft ha recentemente presentato Majorana 1, il primo chip quantistico di questo tipo, che rappresenta un passo significativo verso i computer quantistici topologici, posizionando l’azienda di Redmond all’avanguardia nel campo della computazione quantistica. Questo processore, delle dimensioni di un palmo di mano, è il primo al mondo a utilizzare qubit topologici (8 in totale), una nuova tipologia di qubit che affronta uno dei principali ostacoli dei computer quantistici tradizionali: la fragilità e la necessità di complessi sistemi di correzione degli errori. Grazie alle quasi-particelle di Majorana, eccitazioni quantistiche teorizzate dal fisico Ettore Majorana nel 1937, Microsoft ha progettato un’architettura in grado di scalare fino a 1 milione di qubit, un obiettivo attualmente irraggiungibile per i computer basati su qubit convenzionali. Questo sviluppo potrebbe accelerare l’adozione della computazione quantistica con applicazioni in vari settori, tra cui chimica, scienza dei materiali e intelligenza artificiale.
Funzionamento del chip Majorana 1
Per comprendere l’importanza di questa innovazione, è fondamentale rivedere il concetto di qubit e il funzionamento dei computer quantistici. A differenza dei computer tradizionali, che utilizzano bit binari (0 e 1), i computer quantistici si basano sui qubit, le unità di informazione in grado di esistere in molteplici stati contemporaneamente grazie alla sovrapposizione quantistica. Questa proprietà consente di eseguire calcoli complessi in parallelo, offrendo una potenza di calcolo che potenzialmente supera quella di qualsiasi supercomputer classico, aprendo a possibilità applicative significative.
Tuttavia, i qubit tradizionali sono notoriamente instabili: per codificare un qubit, è necessario mantenere una serie di condizioni particolari, e anche piccole interferenze ambientali possono compromettere i calcoli. Pertanto, i computer quantistici attuali richiedono un numero elevato di qubit di supporto per la correzione degli errori. Ad esempio, per ottenere 48 qubit logici, sono stati utilizzati fino a 280 qubit fisici.
Qui entra in gioco Majorana 1. Microsoft ha sviluppato qubit topologici, che presentano una stabilità intrinseca e una minore suscettibilità agli errori. Questi qubit non codificano l’informazione attraverso lo stato di una singola particella, ma attraverso le interazioni tra gli stati di molte particelle che operano sulla superficie di un microscopico superconduttore. Questo design li rende meno vulnerabili alle perturbazioni esterne, poiché l’informazione è distribuita su un intero sistema piuttosto che concentrata su una singola entità. Le quasi-particelle di Majorana emergono in condizioni specifiche e contribuiscono a formare un qubit topologico che beneficia di questo approccio strutturale, eliminando così la necessità di sistemi complessi di correzione degli errori.
Il processore Majorana 1 impiega una struttura chiamata topoconduttore, composta da un nano-filo di materiale semiconduttore (arseniuro di indio) situato vicino a un materiale superconduttore alluminio. In condizioni appropriate, il nano-filo diventa superconduttore, consentendo l’emergere delle quasi-particelle di Majorana necessarie per il qubit topologico.
Possibili applicazioni di Majorana 1
Un computer quantistico con 1 milione di qubit ha il potenziale di trasformare vari settori, inclusi:
- Chimica e scienza dei materiali: sviluppo di nuovi materiali auto-riparanti per costruzioni e dispositivi elettronici.
- Sostenibilità ambientale: creazione di catalizzatori per la decomposizione delle microplastiche e alternative ecologiche a materiali inquinanti.
- Agricoltura e biotecnologie: ottimizzazione degli enzimi per aumentare la fertilità del suolo e la resa delle colture.
- Intelligenza artificiale: miglioramento degli algoritmi di machine learning tramite simulazioni avanzate che superano le capacità degli attuali supercomputer.
Microsoft ha sottolineato l’importanza di questo sistema, affermando che “tutti i computer operativi nel mondo, messi insieme, non possono compiere ciò che un computer quantistico da un milione di qubit sarà in grado di fare.” Ciò implica che compiti che attualmente richiedono anni di esperimenti e ingenti risorse potrebbero essere svolti in maniera rapida ed efficiente grazie alla potenza del quantum computing.
Dopo 17 anni di ricerca, Microsoft ha presentato un processore che potrebbe rendere la computazione quantistica pratica e scalabile. Questo progetto è stato convalidato da una pubblicazione sulla rivista Nature e ha catturato l’attenzione della DARPA, che lo ha selezionato per la fase finale di un programma chiamato US2QC, volto a sviluppare un computer quantistico resistente agli errori.
