Verso una supermacchina quantistica in un nuovo stato della materia che potrebbe accelerare lo sviluppo di qualsiasi cosa, dalle batterie ai medicinali all’intelligenza artificiale
Un annuncio da fantascienza che potrebbe rivoluzionare la scienza, almeno così come la conosciamo. Non solo una macchina in grado di fare in pochi minuti quello che le macchine attuali farebbero in migliaia – se non milioni – di anni, ma anche la scoperta di un nuovo stato della materia. Microsoft ha da poco rivelato una grande novità nella realizzazione del suo supercomputer quantistico, sempre più vicino alla realizzazione: Majorana 1 è il primo processore basato su superconduttori topologici realizzati con inedito stadio della materia in grado di ottenere 1 milione di qubit.
Microsoft e la dedica a Ettore Majorana
Il nome del processore è una dedica a Ettore Majorana, il geniale fisico italiano che operò all’interno del gruppo noto come i “ragazzi di via Panisperna“: le sue opere più importanti riguardano la fisica nucleare e la meccanica quantistica relativistica, con particolari applicazioni nella teoria dei neutrini. La scomparsa di Majorana è tuttora avvolta nel mistero, contribuendo a creare un alone di leggenda attorno alla sua figura.
Majorana 1, Microsoft e il nuovo stato della materia
Lezione di scienze da terza elementare: la materia si divide in tre stati, solido, liquido e gassoso. E invece no, non più. Ce n’è un quarto. L’ha appena inventato Microsoft, dice. L’ha fatto nel tentativo di realizzare un supercomputer quantistico che potrebbe accelerare lo sviluppo di qualsiasi cosa, dalle batterie ai medicinali all’intelligenza artificiale. Si chiama “qubit topologico”, e può essere considerato una nuova fase dell’esistenza fisica. Il computer quantistico è la nuova frontiera, in parte parallela a quella dell’intelligenza artificiale, della corsa al progresso tecnologico: una macchina che sfrutti lo strano e straordinariamente potente comportamento delle particelle subatomiche o degli oggetti molto freddi. La ricerca va avanti dagli anni 80.
Il tentativo di Google a dicembre
A dicembre Google ha presentato un computer quantistico sperimentale che ha impiegato appena cinque minuti per completare un calcolo che la maggior parte dei supercomputer non sarebbe riuscita a completare in 10 settilioni di anni, ovvero un tempo superiore all’età dell’universo conosciuto.
Majorana 1, Microsoft e il balzo in avanti rispetto a Google
La tecnologia di Microsoft potrebbe significare un ulteriore balzo in avanti: l’azienda ha costruito più qubit topologici all’interno di un nuovo tipo di chip per computer che combina i punti di forza dei semiconduttori che alimentano i computer classici con i superconduttori che sono tipicamente utilizzati per costruire un computer quantistico. Microsoft ritiene che così si riuscirà a risolvere problemi tecnologici, matematici e scientifici che le macchine classiche non potrebbero mai risolvere. La tecnologia di Microsoft è stata descritta in dettaglio in un articolo pubblicato su Nature.
Majorana 1, Microsoft: una tecnologia così avanzata può rimodellare gli equilibri mondiali
Tra le mille possibili applicazione di una tecnologia così avanzata c’è il rischio (e anche qualcosa in più) che possa rimodellare anche gli stessi equilibri geopolitici mondiali. Piccolo esempio: con questa potenza di calcolo violare la crittografia che protegge i segreti nazionali sarebbe un gioco da ragazzi. E non è un caso se il governo cinese ha annunciato un investimento di 15,2 miliardi di dollari nello sviluppo di nuove tecnologie, e l’Unione Europea 7,2 miliardi di dollari. Per tornare alla “scoperta”, Microsoft dice di aver creato un singolo dispositivo che è in parte arseniuro di indio (un tipo di semiconduttore) e in parte alluminio (un superconduttore a basse temperature). Quando viene raffreddato a circa 400 gradi sotto zero, mostra una specie di comportamento ultraterreno che potrebbe rendere possibili i computer quantistici.
Majorana 1, Microsoft: come funzionano i computer quantistici
A differenza dei computer classici, che usano i bit – ossia valori di zero o di uno – per memorizzare e manipolare le informazioni, i computer quantistici usano i qubit, che invece possono assumere i valori di zero, uno e diverse loro combinazioni, in virtù del cosiddetto “principio di sovrapposizione”, una delle leggi fondamentali della meccanica quantistica. Un processore in grado di lavorare in sicurezza e velocità con i qubit non è soltanto più veloce o più potente rispetto a un processore tradizionale; è anche in grado, almeno in linea teorica, di svolgere operazioni che un processore tradizionale non potrebbe mai svolgere, almeno non in un tempo ragionevole.
il principio della supremazia quantistica
È il cosiddetto principio della supremazia quantistica: nel 2019 Google (di cui abbiamo già scritto) è affermata di essere riuscita a raggiungerla con il suo Sycamore, che ha risolto un problema matematico molto complesso – che il più potente computer al mondo, il Summit di Ibm, riuscirebbe ad affrontare in circa 10mila anni – in appena 3 minuti e 20 secondi. Niente male: ma va sottolineato che sfide come questa sono soltanto artefatti matematici che hanno poco a che fare con le applicazioni reali della computazione quantistica.
Majorana 1, Microsoft: i potenziali errori dei computer quantistici
Veniamo ora agli errori, che hanno un’importanza capitale nel campo dell’informatica quantistica, ancor più di quanto non abbiano nell’informatica classica. Gli stati quantistici dei qubit (l’equivalente quantistico del bit) sono infatti entità delicatissime ed estremamente sensibili alle interferenze (ed è per questo che bisogna tenerle il più possibile “isolate” dal mondo esterno, mantenendo per esempio i processori a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto). Le interferenze, e più in generale qualsiasi operazione che si compie sui qubit, introducono “inevitabilmente” una certa probabilità di errore, che può amplificarsi nello svolgimento dei calcoli e portare a un risultato completamente sbagliato. Ed è anche per questo che è difficile, almeno finché non si riuscirà a tenere questa probabilità entro una certa soglia, usare i computer quantistici per operazioni reali.
Majorana 1, il comunicato di Microsoft
Microsoft presenta Majorana 1, il primo processore quantistico al mondo basato su qubit topologici. Questa innovazione rappresenta un punto di svolta nel quantum computing, rendendo possibile la costruzione di computer quantistici utili in anni e non decenni. Alla base di questa rivoluzione ci sono i superconduttori topologici, una nuova classe di materiali che permette di raggiungere uno stato della materia mai osservato prima, aprendo nuove possibilità per l’ingegneria e la scienza.
Majorana 1, i punti chiave dell’annuncio di Microsoft
Microsoft ha sviluppato i superconduttori topologici, ovvero una nuova classe di materiali capace di raggiungere uno stato della materia mai osservato prima, né solido, né liquido, né gassoso, ma “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 le Modalità Zero di Majorana (MZMs), particelle 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.
Fino a 1 milione di qubit sul palmo di una mano
Quantum chip: grazie ai superconduttori topologici, Microsoft ha progettato il processore Majorana 1, che rappresenta un’architettura completamente nuova per i sistemi quantistici. Questo chip è in grado di ospitare infatti fino a 1 milione di qubit su un singolo processore delle dimensioni del palmo di una mano. L’architettura del chip è stata pensata per semplificare il controllo e ridurre drasticamente il numero di qubit fisici necessari per eseguire calcoli affidabili, accelerando così il percorso verso applicazioni pratiche su larga scala.
Majorana 1, Microsoft: un nuovo nucleo topologico
Topological Core: basandosi sul nuovo stato della materia introdotto dai superconduttori topologici, Microsoft ha creato un nucleo topologico che include 8 qubit topologici. Questi qubit sono significativamente più piccoli, veloci e stabili rispetto ai qubit tradizionali, occupando uno spazio di appena 1/100 di millimetro. La loro stabilità deriva dalla protezione hardware intrinseca offerta dalla struttura topologica, che li rende resistenti agli errori causati dall’ambiente esterno. Inoltre, i qubit topologici sono controllati digitalmente attraverso impulsi elettrici, eliminando la necessità di complessi segnali analogici e semplificando notevolmente la gestione di grandi quantità di qubit. Questa innovazione rende possibile un approccio al quantum computing basato su misurazioni, che non solo aumenta l’affidabilità, ma consente anche di implementare correzioni degli errori in modo più efficiente.
Majorana 1, Microsoft: tecnologia validata da autorevoli riconoscimenti
Questa tecnologia è stata validata da autorevoli riconoscimenti scientifici e istituzionali. Un articolo peer-reviewed pubblicato su Nature conferma la capacità di Microsoft di creare e misurare con precisione le proprietà esotiche dei qubit topologici, un passo essenziale verso la computazione pratica. Inoltre, la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ha selezionato Microsoft per la fase finale del programma US2QC, che mira a sviluppare il primo computer quantistico tollerante agli errori su scala industriale.
Majorana 1, Microsoft: rivoluzione in chimica, scienza dei materiali e agricoltura
L’impatto potenziale di un computer quantistico da un milione di qubit è straordinario. Potrebbe rivoluzionare settori come la chimica, la scienza dei materiali e l’agricoltura. 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. Tutti i computer attualmente operativi nel mondo, messi insieme, non possono fare ciò che un computer quantistico da un milione di qubit sarà in grado di fare. Questo comporta che tutto ciò che oggi richiede anni di esperimenti e risorse ingenti potrebbe essere risolto in modo rapido ed efficiente grazie alla potenza del quantum computing.
Potenza accessibile tramite il Cloud
Majorana 1 è parte di un ecosistema integrato che include elettronica di controllo, software avanzati e infrastrutture di raffreddamento estremo. Progettato per integrarsi nei data center Azure, rende la potenza quantistica accessibile tramite il cloud, aprendo nuove possibilità per aziende e ricercatori.