Grande salto in avanti nel campo dell’informatica dei quanti. Microsoft ha infatti recentemente presentato il Majorana 1, un nuovo chip quantistico, basato sui qubit topologici – particelle teorizzate dal genio italiano della fisica nel 1937 – la cui costruzione è stata possibile grazie alla scoperta di un nuovo materiale, appartenente alla classe dei topoconduttori.
Spieghiamo innanzitutto che il mondo quantistico opera secondo le leggi della meccanica quantistica, che non sono le stesse leggi fisiche che vediamo ogni giorno. Le particelle sono chiamate qubit, o bit quantistici, analoghi ai bit – o uno e zero – dei computer tradizionali, ma con la differenza che queste unità sono in grado di possedere più valori nello stesso momento.
Ma i qubit sono altamente suscettibili alle perturbazioni e agli errori provenienti dall’ambiente circostante, che ne causano la disgregazione e la perdita di informazioni. La sfida per gli addetti al settore è pertanto quella di sviluppare un qubit che possa essere misurato e controllato, ma contemporaneamente proteggendolo dal rumore ambientale che lo corrompe.
Cosa sono i topoconduttori?
La topologia è la branca della matematica che studia le proprietà che rimangono invariate quando un oggetto viene deformato. A differenza degli stati convenzionali della materia, gli stati topologici hanno proprietà peculiari, che li rendono adatti alla realizzazione di superconduttori e ad applicazioni, appunto, nel campo del calcolo quantistico.
I superconduttori topologici sono una categoria speciale di materiali, in grado di creare un nuovo stato della materia: non solido, liquido o gassoso, ma appunto “topologico“. Sono costituiti da una combinazione di semiconduttori (in particolare arseniuro di indio, a differenza del classico silicio) e di superconduttori (come l’alluminio), progettati per ottenere dei “nanofili” (strutture monodimensionali) superconduttivi. In pratica dei fili sottilissimi di arseniuro di indio, vengono abbinati all’alluminio, che diventa un superconduttore vicino allo zero assoluto e può essere usato per creare superconduttività nel nanofilo.
Quindi, se raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto e poi sottoposti a campi magnetici, questi nuovi superconduttori generano le Modalità Zero di Majorana, producendo artificialmente quelle che gli scienziati hanno chiamato “particelle Majorana” – da lui battezzate come “Fermioni” in onore dell’illustre collega Enrico Fermi – che immagazzinano informazioni quantistiche in modo protetto e che fino a poco tempo fa erano un concetto solamente teorico, esposto sui libri di fisica, ma finora mai riprodotto.
Un articolo pubblicato sulla rivista Nature confermerebbe che Microsoft non solo è riuscita a creare particelle di Majorana, che aiutano a proteggere le informazioni quantistiche dai disturbi ambientali, bypassando quindi la fragilità dei sistemi tradizionali, ma è anche in grado di misurare in modo affidabile queste informazioni utilizzando le microonde.
Grazie a questa tecnologia, Majorana 1 introduce un’architettura innovativa nel mondo dei sistemi quantistici, con la capacità di ospitare fino a 1 milione di qubit in un singolo chip delle dimensioni di un palmo.
Una grossa innovazione quindi, che ha le potenzialità per ridefinire il futuro del calcolo quantistico, portando l’umanità più vicina a macchine capaci di affrontare problemi complessi al di là delle possibilità dei computer tradizionali (le macchine più avanzate attualmente raggiungono solo poche migliaia di qubit).
La storia di Ettore Majorana, un genio tormentato
Nato a Catania nel 1906, si laurea in Fisica teorica nel 1929, sotto la direzione di Enrico Fermi. Ha frequentato il famoso Istituto di Fisica in via Panisperna, a Roma, dove si occupa di sperimentazione nucleare. La sua abilità nel calcolo è ammirata da tutti, ma ogni volta che i suoi studi sfiorano l’impresa scientifica, Ettore fa un passo indietro e rifiuta di pubblicarli, talvolta arrivando anche a stracciare gli appunti di lavoro.
All’inizio del 1933 parte per un viaggio di studi nella Germania nazista, a Lipsia, dove lavora con grande entusiasmo assieme al famoso fisico teorico Werner Heisenberg (premio Nobel e padre della meccanica quantistica). Tornato a casa qualche mese dopo, il suo comportamento appare ancora più strano del solito; una volta visitato, la diagnosi è di “esaurimento nervoso” e per quattro anni quasi non esce di casa.
In seguito, nel 1937 gli viene assegnata una cattedra all’Università di Napoli, ma continua a dare segni di insofferenza. Nel 1938, dopo essere tornato a Palermo per cercare un po’ di relax fisico e mentale, all’improvviso svanisce e di lui non si sa più nulla. Ancora oggi si specula su cosa possa essere veramente successo: si alternano ipotesi di suicidio a quelle di fuga volontaria, chi dice in un monastero partenopeo e chi invece parla di una nuova identità e una nuova vita in Sudamerica.
Di sicuro c’è il fatto che nel 1934 i ragazzi di via Panisperna bombardando alcuni nuclei di uranio con dei neutroni, avevano inconsapevolmente praticato per la prima volta la fissione nucleare, da cui poi venne sviluppata la bomba atomica. Secondo alcune persone, Majorana ne ha immediatamente intuito le potenzialità belliche e ne è rimasto talmente turbato da decidere di sparire dalla circolazione.
Possibili applicazioni della nuova tecnologia
Al momento è difficile prevedere degli usi certi per questi chip, perché gli studi devono proseguire. Intanto Microsoft fa sapere che ha dei progetti ambiziosi per il futuro, tra cui la realizzazione di un prototipo di computer quantistico scalabile e resistente agli errori (fault-tolerant) entro pochi anni, e negli anni successivi l’idea è quella di realizzare computer quantistici in grado di risolvere problemi reali. Ad esempio, si potrebbero sviluppare dei materiali auto-riparanti per strutture urbanistiche come strade e ponti, ma anche lavorare sulla realizzazione di sostanze chimiche meno dannose, anche in visione di una agricoltura sempre più sostenibile ed ecologica.
Ma l’approccio topologico al quantum computing ha convinto anche la Darpa – Defense Advanced Research Project Agency – l’Agenzia federale statunitense che investe in tecnologie ritenute importanti per la sicurezza nazionale, che ha deciso di selezionare Microsoft per un programma volto a costruire un prototipo di computer quantistico “fault-tolerant”, quindiresistente agli errori, per una nuova generazione di calcolatori sempre più affidabili.
Lo scetticismo della comunità scientifica
Ma non è tutto oro quello che luccica e alcuni scienziati espongono i loro dubbi su quanto proclamato dall’azienda statunitense, soprattutto per quanto riguarda la scelta dell’azienda di annunciare pubblicamente la creazione di un qubit topologico senza rilasciare in merito prove sufficientemente dettagliate.
Il fisico teorico dell’Università di Oxford Steven Simon dichiara infatti che “non c’è un modo definitivo per capire se i qubit sono effettivamente costituiti da stati topologici. Scommetterei la vita sul fatto che hanno visto quello che dicono di aver visto? No, non lo farei. Ma è comunque molto interessante”. Per avere una prova convincente lo studioso aggiunge che bisognerà capire come si comporterà il dispositivo quando effettivamente si aumenterà il numero di qubit.
Altra voce dubbiosa quella di Vincent Mourik, fisico dell’Istituto tedesco Helmoltz Research Centre, che afferma lapidario: “A livello fondamentale l’approccio di costruire un computer quantistico basato su qubit topologici di Majorana così come vuole farlo Microsoft non funzionerà”.
Non ci resta quindi che aspettare le applicazioni sul campo per vedere i risultati effettivi, che daranno il responso definitivo su questa nuova tecnologia e ci diranno se ha ragione Microsoft con i suoi studi e le sue sperimentazioni, oppure gli scettici che al momento si basano solo sulla teoria.
Eva Bergamo
