Microsoft fa un balzo avanti nello sviluppo del suo computer quantistico con una scoperta potenzialmente storica

Microsoft ha annunciato un risultato potenzialmente storico, ovvero la conferma dell'esistenza dei qualunquoni non-abeliani, fondamentali per realizzare i qubit topologici e, con essi, i computer quantistici topologici. La promessa è quella di avere computer quantistici in grado di arrivare a dimensioni non raggiungibili con le alternative disponibili oggigiorno.

Di qualunquoni, gruppi di trecce e altre stranezze

Da diversi anni Microsoft si sta concentrando sulla creazione dei cosiddetti computer quantistici topologici, finora esistenti solo a livello teorico. La differenza principale tra questi e i computer quantistici "tradizionali", basati su trappole a ioni (es. IonQ) o giunzioni di Josephson (es. IBM), è che i computer quantistici topologici sfrutterebbero i fermioni di Majorana, quasiparticelle che sono anche le proprie anti-quasiparticelle la cui esistenza non è finora stata dimostrata.

Più nello specifico, i computer topologici sfrutterebbero reticoli bidimensionali di fermioni inseriti all'interno delle lacune elettroniche di materiali superconduttori. In tali condizioni si vengono a creare quelli che in inglese sono chiamati Majorana zero mode, che sono dei qualunquoni non-abeliani: in altri termini, quasiparticelle la cui funzione d'onda (ovvero la funzione che descrive lo stato quantistico) ha la proprietà di cambiare in base al modo in cui vengono spostate.

Per capire meglio questo concetto, immaginiamo di avere due quasiparticelle A e B nella disposizione "AB". Se le scambiamo di posto due volte, ottenendo così "BA" e successivamente "AB", la nuova disposizione "AB" non sarà, in realtà, identica a quella di partenza. Le funzioni d'onda di queste quasiparticelle si comportano, infatti, come dei fili all'interno di una treccia: se si spostano i capi dei fili, ovvero le quasiparticelle, la treccia cambia, anche se i capi vengono rimessi al punto di partenza.

Proprio questo è l'aspetto che rende i qualunquoni interessanti per la realizzazione di un computer quantistico: perché l'informazione sarebbe contenuta all'interno di questo intreccio e sarebbe più difficile da corrompere rispetto all'approccio tradizionale, estremamente suscettibile a variazioni ambientali e interferenze dall'esterno. A questo proposito, basti pensare che Google ha rilevato come i raggi cosmici siano la fonte di molti degli errori a cui oggi assistiamo nei computer quantistici, nonostante la relativa infrequenza di tali fenomeni.

Il fatto che l'informazione sia codificata all'interno di queste trecce è ciò che dà il nome ai computer quantistici topologici: l'informazione è nella topologia della treccia, anziché nelle particelle (o, in questo caso, quasiparticelle) stesse.

Microsoft crea i primi qubit topologici

La notizia che il colosso di Redmond ha condiviso riguarda proprio la scoperta che è possibile creare dei fermioni di Majorana e usarli per effettuare dei calcoli. Secondo Microsoft, i qubit topologici offrirebbero vantaggi netti rispetto alle alternative in termini di affidabilità, tanto da spingere l'azienda a scrivere nell'annuncio che "i qubit topologici [sono] maggiormente immuni al rumore ambientale, che non può interagire con o distruggere l'informazione quando ne incontra soltanto uno. L'unico modo per liberare l'informazione quantistica è di guardare lo stato combinato di entrambi i Majorana zero mode allo stesso tempo. Fare queste misurazioni in maniera strategica rende possibili sia le operazioni quantistiche, sia la creazione di una protezione intrinseca per il qubit."

L'azienda afferma di essere al punto di aver definito strategie e tecniche precise per la creazione dei dispositivi che consentono di ottenere qubit topologici e che, pertanto, sia ora possibile assemblare i dispositivi e iniziare il lavoro che porterà alla creazione dei primi computer quantistici topologici.

In un secondo annuncio, più tecnico rispetto al primo, Microsoft afferma che la lacuna topologica di oltre 30 µeV che ha rilevato nelle strutture di alluminio e arseniuro di indio è più del triplo del livello del rumore ambientale e della temperatura, dato che rafforza l'idea che i qubit topologici siano più resistenti delle alternative alle interferenze.

La conseguenza diretta di questa maggiore resistenza è la dimensione raggiungibile dai computer quantistici topologici: un enorme problema nello sviluppo, ad esempio, dei computer quantistici basati su superconduttori a dimensioni che si avvicinano al milione di qubit è quello da un lato del raffreddamento, per via delle dimensioni molto elevate che i dispositivi assumerebbero, e dall'altro della difficoltà di mantenere un dispositivo di dimensioni così elevate all'interno dei parametri ottimali in termini di interferenza dal mondo esterno.

I qubit topologici risolverebbero entrambi questi problemi dato che, secondo Microsoft, un processore quantistico costruito con essi e dotato di oltre 1 milione di qubit sarebbe grande più o meno come il chip di una carta di credito. Ciò eliminerebbe il problema di realizzare enormi frigoriferi per raffreddare i computer quantistici e, allo stesso tempo, ridurrebbe anche significativamente il potenziale di disturbi dall'esterno.

Va notato, in tutto questo, che non è la prima volta che Microsoft annuncia questa scoperta: l'azienda aveva infatti pubblicato uno studio su Nature nel 2018 in cui affermava di aver scoperto i fermioni di Majorana, ma aveva dovuto ritirare tale studio nel 2021 dopo che era emerso come i dati non fossero stati analizzati correttamente. Rispetto allo studio passato sono stati implementati protocolli differenti e i risultati sono stati controllati da squadre indipendenti di ricercatori e da esperti esterni, nonché confermati da simulazioni, quindi sembra esserci motivo per essere ottimisti rispetto a questo risultato.

La strada verso i primi computer quantistici topologici è ancora, però, molto lunga e accidentata. Ci vorranno presumibilmente diversi anni prima di vedere i primi dispositivi e per allora le alternative, se tutto andrà secondo i piani, saranno già molto avanzate. Nel mondo dei computer quantistici, però, non esiste ancora l'equivalente dei chip basati sul silicio del mondo tradizionale: le alternative sono molte e non è ancora emersa la migliore in senso assoluto. Sarà interessante nel corso dei prossimi anni vedere se una di queste alternative si imporrà e quali risultati permetterà di raggiungere.