Majorana 1, Microsoft fa la storia dell’informatica quantistica

Microsoft ritiene di aver compiuto un passo fondamentale nel campo del calcolo quantistico, aprendo nuove possibilità per risolvere problemi essenziali per l’esistenza umana su scala industriale. Il colosso del software ha dedicato 17 anni a un ambizioso progetto di ricerca per sviluppare un nuovo materiale e un’architettura innovativa per i computer quantistici. Ora iniziano ad arrivare i primi risultati: il gruppo di Redmond ha infatti svelato il Majorana 1, il suo primo processore quantistico basato su questa nuova tecnologia. A sua agevolata da una serie di innovazioni radicali. Cosa sono i qubit Prima di approfondire le novità di Microsoft, serve un passo indietro. Al centro di un computer quantistico ci sono i qubit, unità fondamentali di informazione nel calcolo quantistico, analoghe ai bit binari utilizzati dai computer tradizionali. Il termine è attribuito al fisico teorico statunitense Benjamin Schumacher insieme al collega Wiulliam Wootters. Schumacher ha in sostanza scoperto un modo per interpretare gli stati quantistici come informazioni. Ha cioè ideato un metodo per comprimere le informazioni contenute in uno stato e memorizzarle in un numero inferiore di stati. Rendendo la computazione quantistica teoricamente molto più potente di quella tradizionale. Come spiega IBM, “i qubit sono generalmente, anche se non esclusivamente, creati manipolando e misurando particelle quantistiche come fotoni, elettroni, ioni intrappolati, circuiti superconduttori e atomi. Grazie alle proprietà uniche della meccanica quantistica, i computer quantistici utilizzano i qubit per archiviare più dati rispetto ai bit tradizionali, migliorando notevolmente i sistemi crittografici ed eseguendo calcoli molto avanzati che richiederebbero migliaia di anni da completare anche per i supercomputer classici”. Per questo arrivare presto a computer quantistici mossi da chip potenti come quello che ritiene di aver sviluppato Microsoft – che però non usa particelle tradizionali ma un nuovo tipo di particella, finora rimasta su carta - potrebbe risultare essenziale per un’infinità di questioni aperte nella medicina, nella scienza dei materiali, nell’industria, nello studio dello Spazio e in molti altri ambiti dove la potenza di calcolo attuale, e neanche le tanto celebrate intelligenze artificiali, riescono a condurci. Anzi, la stessa intelligenza artificiale cambierebbe del tutto paradigma se addestrata attraverso computer quantistici. A differenza dei bit classici, i qubit sono però estremamente fragili e sensibili al cosiddetto rumore, che può generare errori o causare la perdita di dati. Da anni aziende come IBM, Microsoft e Google lavorano infatti per rendere i qubit più affidabili e stabili, avvicinandoli alle prestazioni dei bit convenzionali. Questa è stata la sfida recente. Il processore Majorana 1 promette fino a un milione di qubit su un singolo chip dalle dimensioni paragonabili a quelle delle CPU attualmente presenti nei computer desktop e nei server. Che cosa sono i semiconduttori topologici inventati da Microsoft La prima, sostanziale differenza rispetto ai chip tradizionali è che Microsoft non utilizza elettroni per l’elaborazione dei dati ma si affida a una particolare categoria di quasiparticelle, le MZMs, Modalità Zero di Majorana, che si comportano in modo simile ai fermioni di Majorana, meglio noti come particelle di Majorana, teorizzate nel 1937 dal fisico italiano Ettore Majorana, scomparso l’anno dopo in circostanze misteriose e mai del tutto chiarite. Questo risultato è stato possibile grazie alla creazione di quello che l’azienda definisce il “primo topoconduttore al mondo”, una nuova classe di materiali in grado non solo di rilevare, ma anche di controllare queste quasiparticelle monon-abeliane molto prossime ai fermioni, permettendo così di realizzare qubit più stabili e affidabili. Un nuovo stato della materia: quello topologico I superconduttori topologici sono infatti in grado di raggiungere uno stato della materia mai osservato prima, né solido, né liquido, né gassoso, ma appunto definito in modo forse un po’ complesso "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 appunto le Modalità Zero di Majorana , quasiparticelle esotiche che immagazzinano informazioni quantistiche in modo protetto. “Per quasi un secolo, queste particelle sono rimaste un concetto teorico presente nei libri di testo ma Microsoft è riuscita a crearle e controllarle su richiesta, rendendole il fondamento dei suoi qubit topologici” spiegano da Redmond, in una svolta in effetti degna del Nobel. Come funziona Majorana 1 Sulla base di questi nuovi superconduttori, la piattaforma che però a sua volta genera anche i qubit necessari all’attività computazionale, è nato Majorana 1, un’innovazione anche per un ambito di frontiera come quello dei sistemi quantistici. È in grado di ospitare fino a 1 milione di qubit su un singolo processore delle dimensioni del palmo di una mano, anche se il chip presentato ne contiene 8. In particolare, l’architettura è stata progettata per semplificare il controllo e ridurre il numero di qubit fisici necessari per eseguire i calcoli, così da rendere possibile pensarne l’implementazione su larga scala nel giro di anni e non di decenni. Questi qubit topologici sono infatti molto più piccoli, veloci e stabili rispetto ai qubit tradizionali: occupano uno spazio di appena 1/100 di millimetro. E la loro stabilità è in qualche modo legata alla protezione hardware intrinseca offerta dalla struttura topologica stessa, che li rende resistenti agli errori causati dall'ambiente esterno. Inoltre sono controllati digitalmente attraverso impulsi elettrici, eliminando la necessità di complessi segnali analogici e semplificando la gestione di grandi quantità di qubit. Altri aspetti che depongono a favore di un drastico taglio dei tempi di sviluppo industriale. Microsoft ha illustrato la sua ricerca in un articolo sottoposto a revisione paritaria, pubblicato nei giorni scorsi su Nature, in cui spiega come i suoi ricercatori siano riusciti a creare il qubit topologico. Cioè a dare sostanzialmente vita a una delle molte scoperte di Majorana. Bisogna considerare, come si spiegava prima, che “un singolo chip con un milione di qubit potrebbe eseguire simulazioni molto più accurate e contribuire a migliorare la comprensione del mondo naturale e a favorire innovazioni nel campo della medicina e della scienza dei materiali – spiega Tom Warren su The Verge - questa è la promessa dell’informatica quantistica da anni ormai, e Microsoft ritiene che il suo topoconduttore, o superconduttore topologico, sia la prossima grande svolta”. Fra l’altro la DARPA statunitense ha selezionato Microsoft per la fase finale del programma US2QC, che mira appunto a sviluppare il primo computer quantistico tollerante agli errori su scala industriale. Le applicazioni pratiche dell’informatica quantistica Ma quali possono essere le applicazioni pratiche dei computer quantistici affidabili e disponibili commercialmente? “Potrebbero rivoluzionare settori come la chimica, la scienza dei materiali e l'agricoltura – conclude Microsoft - 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”. Per avere un’idea di cosa avremo in mano quando l’informatica quantistica sarà arrivata a maturazione dobbiamo considera che tutti i computer attualmente operativi nel mondo, messi insieme nella loro capacità di calcolo, non possono fare ciò che un computer quantistico da un milione di qubit sarà in grado di fare. Automaticamente, tutto ciò che oggi richiede anni di esperimenti e sterminate risorse potrebbe essere risolto in modo rapido ed efficiente grazie alla potenza del quantum computing. Già da ora c’è qualche segnale in questo senso visto che Majorana 1 è progettato per integrarsi nei data center Azure, rendend fin da subito la potenza quantistica accessibile tramite il cloud, aprendo nuove possibilità per aziende e ricercatori.

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