Il chip quantistico Majorana 1 di Microsoft prepara l’informatica del futuro

Microsoft ha recentemente annunciato un importante passo avanti nella ricerca sul computing quantistico. Il risultato, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, rappresenta una conferma dell'approccio topologico scelto dall'azienda per sviluppare un computer quantistico scalabile e stabile. L'impiego dei qubit topologici migliora la velocità e l'affidabilità del calcolo quantistico ed offre, allo stesso tempo, anche un'infrastruttura più compatta e scalabile, facilitando l'integrazione di questa tecnologia in applicazioni concrete.

L'orizzonte dell'informatica quantistica sta cambiando rapidamente, con le principali aziende tecnologiche impegnate nella corsa verso il primo computer quantistico commerciale realmente funzionale. Majorana 1, un innovativo chip sviluppato da Microsoft, introduce un'architettura avanzata basata su materiali superconduttori topologici con l'obiettivo di rendere i computer quantistici più stabili, efficienti, scalabili e affidabili nel tempo. L'impiego di questi materiali consente di realizzare qubit più resistenti agli errori, una soluzione che apre nuove possibilità per lo sviluppo di sistemi quantistici su larga scala. Per capire meglio il contesto, dobbiamo considerare che la principale difficoltà nella costruzione di un computer quantistico è rappresentata dall'instabilità dei qubit, che tendono a perdere le loro proprietà a causa di interferenze esterne. La tecnologia sviluppata da Microsoft punta a superare questa limitazione grazie all'architettura topologica che offre una protezione intrinseca dagli errori.

Mentre i sistemi quantistici convenzionali richiedono complesse correzioni degli errori, l'architettura topologica offre una maggiore resistenza ai disturbi, migliorando l'affidabilità complessiva del sistema.

Tra gli aspetti più rivoluzionari del qubit topologico vi è, infatti, la sua capacità di proteggere le informazioni quantistiche dai disturbi casuali, una delle principali difficoltà della computazione quantistica tradizionale. Le Majorana, infatti, nascondono l'informazione quantistica rendendola più resistente agli errori, anche se questo vantaggio ha sempre comportato una sfida nella misurazione precisa dello stato del qubit. Microsoft ha superato l'ostacolo sviluppando un sistema di misurazione accurato per determinare con estrema precisione lo stato del qubit, costituendo la base per calcoli quantistici affidabili e scalabili.

La creazione di Majorana 1 rappresenta un passo notevole verso la realizzazione di computer quantistici su scala industriale. L'obiettivo è quello di raggiungere un milione di qubit su un singolo chip, una soglia fondamentale per rendere realmente praticabile l'elaborazione di problemi complessi, altrimenti irrisolvibili con i computer tradizionali. Un elemento rilevante è stata la progettazione della giusta combinazione di materiali per creare lo stato topologico desiderato. Invece del silicio, l'azienda ha adottato un materiale dalle proprietà speciali già utilizzato in applicazioni come i rilevatori a infrarossi, e che, combinato con la superconduttività a temperature estremamente basse, consente la creazione del qubit topologico. La caratteristica distintiva di Majorana 1 risiede nell'uso dell'arseniuro di indio, capace di favorire la superconduttività a temperature estremamente basse. Tale proprietà permette la creazione di uno stato della materia inedito, noto come stato topologico, in grado di mantenere le proprie caratteristiche anche in presenza di perturbazioni.

Figura 1

La fabbricazione di questi materiali è un processo di estrema precisione in cui vengono depositati atomi singolarmente per garantire un allineamento perfetto, dove anche il più piccolo difetto nella struttura può compromettere il funzionamento del qubit.

Ironia della sorte,

una delle principali applicazioni del calcolo quantistico sarà proprio la progettazione di materiali migliori per la prossima generazione di computer.

La scelta di Microsoft di investire nella ricerca sui qubit topologici si sta rivelando una strategia vincente per aprire nuove possibilità nell'industria e nella scienza. Le particelle di Majorana, fondamentali per il qubit topologico di Microsoft, sono particelle che non esistono in natura e possono essere indotte solo attraverso combinazioni specifiche di campi magnetici e superconduttori. La loro creazione ed il controllo del loro stato hanno rappresentato una sfida enorme per i ricercatori, motivo per cui la maggior parte degli sforzi nel settore quantistico si è concentrata su qubit basati su altre tecnologie.

L'approccio adottato da Microsoft nella progettazione di Majorana 1 si differenzia notevolmente dalle soluzioni attualmente disponibili, grazie all'uso di un controllo digitale dei qubit, che semplifica notevolmente la gestione delle operazioni computazionali.

Verrebbe da chiedersi, alla luce di quanto detto, quale sia il reale impatto di tutto ciò sul calcolo quantistico. L'annuncio di Microsoft segna inevitabilmente una svolta epocale nel ripensare l'informatica quantistica su larga scala: l'azienda non solo è riuscita a produrre queste particelle, ma ha anche sviluppato un metodo affidabile per misurare le informazioni quantistiche in esse contenute utilizzando le microonde.

L'architettura alla base di Majorana 1 è il risultato di anni di ricerca e sviluppo da parte del team di Microsoft. L'innovazione ha attirato l'interesse di importanti istituzioni di ricerca, tra cui la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), che sta valutando il potenziale della tecnologia per accelerare la commercializzazione dei computer quantistici.

Un'altra innovazione chiave del sistema Microsoft è la semplificazione del processo di misurazione, che può essere attivata e disattivata tramite impulsi di tensione, simile ad un interruttore della luce, invece di richiedere complesse regolazioni per ogni singolo qubit: un approccio che consente un controllo digitale più semplice e riduce i requisiti fisici per la costruzione di un computer quantistico su larga scala. Il qubit topologico possiede anche un vantaggio in termini di dimensioni. Nei computer quantistici tradizionali i qubit devono essere né troppo piccoli né troppo grandi per garantire un funzionamento ottimale, se sono troppo piccoli, diventa difficile far passare le linee di controllo, mentre se sono troppo grandi, il computer richiede dimensioni spropositate arrivando persino alla scala di un hangar per aerei o di un campo da calcio. Il chip Majorana 1 integra sia i qubit che l'elettronica di controllo e può essere contenuto nel palmo di una mano, oltre ad essere compatibile con i data center Azure.

Figura 2

L'architettura del qubit topologico di Microsoft si basa su nanofili di alluminio assemblati in una configurazione a forma di "H", dove ogni struttura include quattro Majorana controllabili, formando un singolo qubit; le unità possono essere facilmente collegate tra loro e organizzate come tessere su un chip, semplificando l'espansione e la scalabilità del sistema. Naturalmente, la realizzazione di un computer quantistico basato su questa tecnologia non è ancora imminente, dal momento che la piena integrazione di tutti i componenti richiederà anni di ulteriore sviluppo ingegneristico, tuttavia, molte delle limitazioni, sia scientifiche che tecniche, sono già state superate.

Ogni componente è stato sviluppato internamente, dimostrando l'impegno dell'azienda nel creare una soluzione quantistica completa. Il traguardo segna un nuovo capitolo nell'evoluzione della computazione quantistica, avvicinando il futuro in cui questi dispositivi rivoluzioneranno la tecnologia come la conosciamo oggi.

Quali prospettive per il futuro?

Con un computer quantistico su larga scala, sarà possibile prevedere e ottimizzare le proprietà dei materiali quantistici accelerando ulteriormente il progresso tecnologico. Microsoft si sta muovendo rapidamente verso questa visione costruendo non solo i qubit, ma anche tutto l'ecosistema necessario per il loro funzionamento: logica di controllo, frigoriferi a diluizione per mantenere temperature prossime allo zero assoluto ed uno stack software che integra Intelligenza Artificiale e calcolo classico. Sicuramente ci stiamo avvicinando ad un futuro in cui l'elaborazione quantistica non sarà più solo un concetto teorico, ma una solida tecnologia alla base di soluzioni concrete per affrontare le sfide globali. Le applicazioni di un sistema quantistico su larga scala potrebbero infatti avere un impatto rivoluzionario in diversi settori, dalla chimica alla scienza dei materiali, ambiti in cui la capacità di simulare con precisione le interazioni molecolari consentirebbe di sviluppare nuovi materiali con proprietà straordinarie come rivestimenti autorigeneranti per infrastrutture e componenti industriali. Nel campo della sostenibilità ambientale, l'informatica quantistica potrebbe essere ad esempio impiegata per progettare catalizzatori in grado di scomporre le microplastiche o ridurre le emissioni di carbonio, mentre in ambito medico le simulazioni quantistiche potrebbero portare ad una comprensione più approfondita degli enzimi e dei processi biologici per ricercare nuove cure e trattamenti innovativi.