7 Domande e Risposte su Majorana 1 e i qubit topologici di Microsoft

Il 19 febbraio 2025 Microsoft ha annunciato una svolta significativa nel campo del calcolo quantistico: la realizzazione di un qubit topologico funzionante. L’affermazione ha sollevato grande interesse nella comunità scientifica per le potenziali enormi implicazioni che potrebbe introdurre nelle elaborazioni computazionali di alto livello. In un altro nostro articolo abbiamo provato a spiegare cos’è il chip Majorana 1, basato su qubit topologici. Vi sembra una materia ostica? Proviamo a riassumere la questione con una serie di domande e risposte.

1. Cosa sono i qubit topologici?

I qubit topologici sono un tipo speciale di qubit, l’unità fondamentale di informazione nei computer quantistici. A differenza di un bit classico, che può assumere soltanto i valori 0 o 1, un qubit può esistere contemporaneamente in una sovrapposizione di entrambi gli stati, grazie alle proprietà quantistiche. Questo permette ai computer quantistici di eseguire calcoli complessi molto più velocemente rispetto ai computer tradizionali.

I ricercatori Microsoft hanno messo a punto qubit topologici, basati su quasiparticelle chiamate anioni non abeliani. Questi stati quantistici emergenti, previsti in teoria, possono esistere in sistemi bidimensionali e presentano proprietà uniche che li distinguono da fermioni e bosoni. Il loro comportamento è determinato dalla topologia del sistema in cui si trovano, un concetto sviluppato a partire dagli studi di Alexei Kitaev, Michael Freedman e altri alla fine degli anni ‘90.

2. Perché i qubit topologici sono così rilevanti?

L’attrattiva principale dei qubit topologici risiede nella loro potenziale resistenza al fenomeno decoerenza. Nei sistemi quantistici convenzionali, gli errori possono derivare da interazioni ambientali che disturbano lo stato quantistico fragile del qubit.

Nei qubit topologici, invece, le informazioni quantistiche sono immagazzinate nella configurazione topologica degli anioni non abeliani, e gli errori casuali dovrebbero essere meno probabili, in quanto per influenzare il sistema bisognerebbe alterare significativamente la sua topologia.

Se questa proprietà si confermasse in applicazioni pratiche, i qubit topologici potrebbero offrire un enorme vantaggio rispetto ai qubit tradizionali, rendendo il calcolo quantistico molto più stabile ed efficiente.

3. Microsoft ha davvero creato il primo qubit topologico?

Stando all’annuncio dell’azienda, sì, Microsoft sembra aver davvero creato il primo qubit topologico. Un precedente episodio, tuttavia, induce gli esperti a muoversi con cautela.

Nel 2018, Microsoft aveva dichiarato di aver osservato le Modalità Zero di Majorana (MZM), un elemento essenziale per la costruzione dei qubit topologici. Tuttavia, successivi controlli hanno portato alla ritrattazione della scoperta, suscitando scetticismo nella comunità scientifica.

Stavolta Microsoft afferma di avere a disposizione un qubit topologico che si comporta effettivamente come tale. E, allo stesso tempo, segnala che la rivista scientifica Nature ha pubblicato uno studio peer-reviewed a sostegno di quanto descritto.

4. Qual è l’impatto di questa scoperta?

Se il risultato sarà ulteriormente confermato, si tratterà di una pietra miliare per il calcolo quantistico topologico. Dal punto di vista pratico, però, siamo ancora lontani da applicazioni immediate. Un singolo qubit non è sufficiente per risolvere problemi computazionali complessi, e anche un sistema con decine di qubit non è ancora in grado di superare significativamente i calcolatori classici.

Microsoft sostiene di essere in grado di scalare fino a un milione di qubit topologici in un chip che sta nel palmo di una mano. Se i qubit topologici si dimostrassero effettivamente più stabili e scalabili rispetto ai qubit convenzionali, come sostenuto in pompa magna dagli esperti di Microsoft, potrebbero diventare la tecnologia chiave per il futuro del calcolo quantistico.

5. I qubit topologici sono il futuro del calcolo quantistico?

Va detto che allo stato attuale, le tecnologie basate sui qubit tradizionali, come quelli superconduttori, a ioni intrappolati o a atomi neutri, hanno un vantaggio significativo e restano punto di riferimento. Aziende come Google, IBM, Quantinuum e altre stanno già lavorando con sistemi composti da decine o centinaia di qubit entangled, implementando migliaia di operazioni quantistiche.

I qubit topologici potrebbero recuperare terreno solo se dimostrassero una tale affidabilità da superare in un colpo solo gli approcci convenzionali. Resta ancora da dimostrare, tuttavia, se la visione sia realistica o meno.

6. Microsoft è l’unica azienda a puntare sui qubit topologici?

Attualmente, Microsoft è l’unica grande azienda a investire con decisione su questa tecnologia. Mentre la maggior parte delle aziende nel settore ha scelto metodi più tradizionali per realizzare qubit, Microsoft ha continuato a perseguire il calcolo quantistico topologico nonostante le difficoltà incontrate nel corso degli anni.

Le dichiarazioni aziendali e tanti approfondimenti divulgativi evidenziano grande ottimismo: la storia, comunque, ci insegna a muoverci con la massima prudenza.

Arrivare a un milione di qubit topologici nel giro di pochi anni appare improbabile, considerando le difficoltà attuali e il divario rispetto alle tecnologie più consolidate. Se la scalabilità risultasse superiore alle alternative esistenti, Microsoft potrebbe rapidamente ritagliarsi un ruolo chiave nel futuro del calcolo quantistico.

7. Quali idee hanno introdotto gli studi di Ettore Majorana, Alexei Kitaev e Michael Freedman?

Nel 1937, il fisico siciliano Ettore Majorana propose l’esistenza di fermioni che avessero la caratteristica unica di essere le proprie antiparticelle. Questa idea ha fornito una base teorica per lo sviluppo delle MZM, particelle esotiche che emergono nei sistemi superconduttori topologici.

Dal canto loro, Alexei Kitaev e Michael Freedman, a circa 60 anni di distanza, hanno contribuito significativamente alla comprensione delle MZM e alla loro applicazione nel quantum computing. Kitaev ha sviluppato modelli teorici che descrivono come queste particelle possano essere utilizzate per costruire qubit topologici, intrinsecamente protetti dagli errori grazie alla loro struttura topologica.

Il lavoro di Microsoft parte quindi da lontano. Dopo essersi unito alla società di Redmond nel 1997, Freedman ha diretto Station Q, un progetto dedicato alla ricerca sul quantum computing topologico. Qui, ha esplorato come le MZM possano essere utilizzate per costruire qubit topologici.

Microsoft Majorana 1 è il primo chip quantistico al mondo basato su qubit topologici. Il chip utilizza superconduttori topologici per generare MZM, che sembrano permettere una maggiore stabilità e resistenza agli errori rispetto ai qubit tradizionali. La struttura del chip consente di ospitare fino a un milione di qubit in dimensioni molto ridotte, rappresentando un passo significativo verso computer quantistici più scalabili e pratici.