Il 19 febbraio 2025, Microsoft ha annunciato Majorana 1, il primo processore quantistico al mondo basato su qubit topologici.

Questo rappresenta un passo significativo verso la realizzazione di computer quantistici in grado di risolvere problemi industriali su larga scala in tempi più brevi del previsto.

Majorana 1 è un’unità di elaborazione quantistica (QPU) alimentata da un’architettura denominata “Topological Core”. Questa si basa su un nuovo materiale chiamato topoconduttore, che combina indio, arsenico e alluminio per creare uno stato topologico della materia. Questo stato consente la creazione e il controllo di particelle di Majorana, utilizzate per formare qubit più stabili e scalabili.

L’obiettivo di Microsoft è integrare fino a un milione di qubit su un singolo chip delle dimensioni del palmo di una mano, rendendo i computer quantistici capaci di affrontare problemi complessi come la fattorizzazione di grandi numeri per la decodifica di messaggi criptati, la modellizzazione molecolare, o la creazione di materiali auto-riparanti.

Annunci precedenti di Microsoft sul progetto

Negli anni precedenti, Microsoft ha fatto diversi annunci riguardanti il suo impegno nel campo del calcolo quantistico:

•2017: Durante la conferenza Ignite, Microsoft ha discusso l’uso di qubit topologici come base per i suoi futuri computer quantistici.

•2022: Microsoft ha annunciato la creazione del primo topoconduttore, un materiale chiave per la realizzazione di qubit topologici stabili.

•2024: L’azienda ha dimostrato la capacità di osservare e controllare le particelle di Majorana, un passo cruciale verso la costruzione di qubit topologici pratici.

Inoltre, nel 2018, l’azienda ha pubblicato un articolo su Nature in cui affermava di aver osservato la “conduttanza quantizzata di Majorana”, un fenomeno chiave per la realizzazione di qubit topologici. Tuttavia, nel 2021, questo articolo è stato ritirato a causa di dati non conclusivi, sollevando dubbi sulla validità dei risultati iniziali.

Qubit topologico: cos’è e come funziona

Un qubit topologico è una tipologia di qubit che sfrutta le proprietà topologiche della materia per immagazzinare e manipolare informazioni quantistiche in modo più robusto rispetto ai qubit convenzionali. Questa robustezza deriva dalla protezione dell’informazione quantistica da disturbi locali e dalla decoerenza, un problema chiave nei computer quantistici attuali.

L’idea di base è quella di utilizzare “stati quantistici non locali” per immagazzinare informazione, riducendo così la sensibilità a perturbazioni derivanti dell’ambiente circostante.

Per comprendere il funzionamento dei qubit topologici, è necessario approfondire alcuni concetti di base della fisica quantistica e della teoria della materia condensata (lo studio di interazioni tra un gran numero di particelle che danno origine a proprietà collettive che non possono essere spiegate attraverso lo studio delle singole particelle).

Ad esempio lo studio della conduttività elettrica, la resistenza e le strutture cristalline nei liquidi e nei solidi o l’elettricità senza resistenza (al di sotto di una certa temperatura) nei superconduttori, i condensati di Bose-Einstein, nonchè i materiali topologici oggetto di nostro interesse, che possiedono proprietà elettriche speciali derivanti dalla struttura geometrica interna.

Uno degli aspetti fondamentali dei qubit topologici è l’uso di particelle chiamate anyoni non abeliani (da non confondere col termine anioni riferito agli atomi con carica negativa), che emergono in sistemi a due dimensioni.

Mentre i fermioni e i bosoni seguono rispettivamente la statistica di Fermi-Dirac con il principio di esclusione di Pauli e la statistica di Bose-Einstein con la possibilità di occupare lo stesso stato quantistico, gli anyoni seguono una statistica intermedia (appunto “any” qualsiasi) tra i bosoni e i fermioni e hanno una proprietà peculiare: lo scambio (braiding) tra due anyoni modifica lo stato quantistico del sistema in modo “non banale” e irreversibile.

Gli anyoni possono essere abeliani o non abeliani, in base a come cambia il loro stato quantistico quando vengono scambiati (rif. concetto di scambio quantistico).

Il termine abeliano deriva dalla proprietà dei gruppi algebrici. Un gruppo è definito abeliano se osserva la proprietà commutativa, ovvero data una coppia di elementi a e b, vale a · b = b · a. Se tale proprietà non è soddisfatta il gruppo di definisce non abeliano.

Nello scambio di due anyoni abeliani, lo stato quantistico del sistema cambia in modo semplice e prevedibile, mentre nel caso dello scambio (braiding poichè lo scambio può essere rappresentato come un intreccio dei percorsi nello spazio-tempo) di due anyoni non abeliani, il sistema viene trasformato in modo non banale andando a modificare lo stato quantistico in maniera complessa in modo da intrecciare gli stati quantistici in maniera non commutativa.

Ed è qua entra in ballo il nostro grande connazionale Ettore Majorana, poichè tra gli anyoni non abeliani rientrano proprio i fermioni di Majorana, ovvero quelle quasi-particelle che si comportano come le loro anti-particelle (quindi se due fermioni di Majorana di incontrano si annichilano), teorizzate nel 1937 dal nostro Ettore e sperimentalmente osservate in alcuni sistemi di materia condensata come i superconduttori topologici.

La combinazione unica di proprietà fisiche e caratteristiche topologiche come la non località, la statistica non abeliana e la protezione topologica, rendono queste quasi-particelle ideali per applicazioni nel calcolo quantistico topologico.

Reallizzazione dei QuBit con fermioni di Majorana

Le quasi-particelle dii Majorana, chiamati modi zero di Majorana (MZMs) poichè hanno energia quasi zero, sono stati rilevati alle estremità di un nanofilo superconduttore topologico sottoposto a un forte campo magnetico.

Se scambiamo due anyoni non abeliani, quindi due quasi-particelle di Majorana, attraverso un processo di braiding (intreccio) lo stato quantistico del sistema cambia in maniera complessa ma prevedibile.

Ad esempio se si scambiano le particelle una volta, il sistema cambia secondo una trasformazione nota, mentre se si scambiano più volte in ordini diversi, il risultato finale dipende dalla sequenza di scambi.

Tuttavia, il risultato non è casuale ma segue una logica ben precisa definita dalla matematica della topologia. Si pensi ad esempio ad una commutazione 3D dove se si fanno tre movimenti consecutivi 1-2-3 si avrà un determinato risultato, ma se si fanno i movimenti in ordine diverso 1-3-2 il risultato non sarà lo stesso (es. cubo di Rubik).

Scambiare due fermioni di Majorana in un superconduttore come descritto sopra corrisponde ad un operazione di braiding e si effettua scambiando fisicamente la loro posizione.

Questa operazione, come spiegato precedentemente, cambia lo stato quantico del sistema in modo non commutativo e può essere quindi utilizzata per implementare porte logiche quantistiche definite gates.

Si potrebbe quindi realizzare un QuBit utilizzando i due fermioni di Majorana agli estremi di un filamento ed utilizzare l’operazione di braiding per i gates quantistici.

Il processo di realizzazione sarebbe molto più semplice e gestibile degli attuali metodi utilizzati per la realizzazione di QuBit.

Ulteriori vantaggi deriverebbero anche dalla resistenza agli errori data dalla protezione topologia, dalla manipolazione stabile senza necessità di correzione (data dal braiding) e dalla scalabilità, poiché basterebbe replicare il singolo filamento per incrementare il numero di QuBit.

Al momento però sussistono dei limiti tecnologici tali da impedirne la realizzazione pratica, dovuti all’estrema difficoltà di misurare i fermioni di Majorana, che ad oggi non sono stati ancora definitivamente osservati, nonché alla complessità tecnica per la loro manipolazione.

Microsoft sta investendo molto in questa ricerca, aprendo la strada ad una delle tecnologie più promettenti per la realizzazione di computer quantistici stabili ed affidabili che porterebbe ad un’evoluzione senza pari nel mondo del calcolo computazionale tale da poter essere considerato una singolarità tecnologica.

Ad oggi purtroppo, il tutto rimane ancora una sperimentazione e le tempistiche per la possibile realizzazione pratica di un computer quantistico basato su questa tecnologia sono ancora lontane, ma sarà interessante seguirne le evoluzioni e come la stessa Microsoft riuscirà a superare le attuali limitazioni.