L’azienda afferma di essere sulla buona strada per costruire un nuovo tipo di macchina basata su qubit topologici.
Microsoft ha annunciato oggi di aver compiuto progressi significativi nella sua ventennale ricerca di bit quantistici topologici, o qubit, un approccio speciale alla costruzione di computer quantistici che potrebbe renderli più stabili e più facili da scalare.
Ricercatori e aziende lavorano da anni per costruire computer quantistici, che potrebbero sbloccare nuove capacità di simulare materiali complessi e scoprirne di nuovi, oltre a molte altre possibili applicazioni.
Per realizzare questo potenziale, però, dobbiamo costruire sistemi sufficientemente grandi e stabili per eseguire i calcoli. Molte delle tecnologie che si stanno esplorando oggi, come i qubit superconduttori perseguiti da Google e IBM, sono così delicate che i sistemi risultanti devono avere molti qubit in più per correggere gli errori.
Microsoft sta lavorando da tempo a un’alternativa che potrebbe ridurre l’overhead utilizzando componenti molto più stabili. Questi componenti, chiamati quasiparticelle di Majorana, non sono particelle reali. Si tratta invece di particolari modelli di comportamento che possono presentarsi all’interno di alcuni sistemi fisici e in determinate condizioni.
La ricerca non è stata priva di battute d’arresto, compresa la ritrattazione di un documento di alto profilo da parte di ricercatori associati all’azienda nel 2018. Tuttavia, il team di Microsoft, che da allora ha trasferito questo sforzo di ricerca all’interno dell’azienda, sostiene di essere ora sulla buona strada per costruire un computer quantistico tollerante ai guasti contenente qualche migliaio di qubit nel giro di pochi anni e di avere un progetto per la costruzione di chip che contengono ciascuno un milione di qubit o giù di lì, un obiettivo approssimativo che potrebbe essere il punto in cui questi computer iniziano davvero a mostrare la loro potenza.
Questa settimana l’azienda ha annunciato alcuni primi successi su questa strada: facendo leva su un articolo pubblicato oggi su Nature che descrive una validazione fondamentale del sistema, l’azienda ha dichiarato di aver testato un qubit topologico e di aver cablato un chip che ne contiene otto.
“Non si arriva a un milione di qubit senza un sacco di sangue, sudore e lacrime e senza risolvere molte sfide tecniche davvero difficili lungo il percorso. E non voglio sminuire nulla di tutto ciò”, afferma Chetan Nayak, technical fellow di Microsoft e leader del team che sta sperimentando questo approccio. Detto questo, dice, “credo che abbiamo un percorso in cui crediamo molto, e vediamo una la luce all’orizzonte”.
I ricercatori esterni all’azienda sono cautamente ottimisti. “Sono molto contento che [questa ricerca] sembri aver raggiunto una pietra miliare molto importante”, afferma l’informatico Scott Aaronson, che dirige il Quantum Information Center dell’Università del Texas ad Austin. “Spero che la cosa rimanga in piedi e che si sviluppi”.
Pari e dispari
Il primo passo nella costruzione di un computer quantistico è la costruzione di qubit che possano esistere in stati quantistici fragili, non 0 e 1 come i bit dei computer classici, ma piuttosto una miscela dei due. Mantenere i qubit in questi stati e collegarli tra loro è un lavoro delicato, e nel corso degli anni una quantità significativa di ricerche è stata dedicata a perfezionare gli schemi di correzione degli errori per compensare le criticità hardware.
Per molti anni, sia i teorici che gli sperimentatori sono stati incuriositi dall’idea di creare qubit topologici, che sono costruiti attraverso giri matematici e hanno una protezione dagli errori essenzialmente incorporata nella loro fisica. “È stata un’idea così attraente per le persone fin dai primi anni 2000”, dice Aaronson. “L’unico problema è che richiede, in un certo senso, la creazione di un nuovo stato della materia che non è mai stato visto in natura”.
Microsoft ha cercato di sintetizzare questo stato, chiamato fermione di Majorana, sotto forma di quasiparticelle. Il fermione di Majorana è stato proposto per la prima volta quasi 90 anni fa come una particella che è la sua stessa antiparticella, il che significa che due fermioni di Majorana si annichiliscono quando si incontrano. Con le giuste condizioni e la giusta configurazione fisica, l’azienda spera di ottenere un comportamento simile a quello del fermione di Majorana all’interno dei materiali.
Negli ultimi anni, l’approccio di Microsoft si è incentrato sulla creazione di un filo sottilissimo o “nanofilo” di arseniuro di indio, un semiconduttore. Questo materiale viene posto in prossimità dell’alluminio, che diventa un superconduttore vicino allo zero assoluto e può essere usato per creare superconduttività nel nanofilo.
Normalmente non è probabile trovare elettroni spaiati in un superconduttore: agli elettroni piace accoppiarsi. Ma nelle giuste condizioni del nanofilo, è teoricamente possibile che un elettrone si nasconda, con ciascuna metà nascosta a entrambe le estremità del filo. Se si riesce a far esistere queste entità complesse, chiamate modi zero di Majorana, sarà difficile distruggerle, rendendole intrinsecamente stabili.
“Ora si può vedere il vantaggio”, dice Sankar Das Sarma, un fisico teorico dell’Università del Maryland che ha svolto i primi lavori su questo concetto. “Non si può distruggere un mezzo elettrone, giusto? Se si cerca di distruggere un mezzo elettrone, significa che rimane solo un mezzo elettrone. Questo non è permesso”.
Nel 2023, il team di Microsoft ha pubblicato un articolo sulla rivista Physical Review B in cui si affermava che questo sistema aveva superato un protocollo specifico progettato per valutare la presenza di modi zero di Majorana. Questa settimana, su Nature, i ricercatori hanno riferito di essere in grado di “leggere” le informazioni contenute in questi nanofili, in particolare se vi sono modi zero di Majorana nascosti alle estremità dei fili. Se ci sono, significa che il filo ha un elettrone non accoppiato in più.
“Quello che abbiamo fatto nell’articolo su Nature è stato mostrare come misurare il pari o il dispari”, dice Nayak. “Per poter dire se ci sono 10 milioni o 10 milioni e uno di elettroni in uno di questi fili”. Si tratta di un passo importante di per sé, perché l’azienda intende utilizzare questi due stati – un numero pari o dispari di elettroni nel nanofilo – come 0 e 1 nei suoi qubit.
Se queste quasiparticelle esistono, dovrebbe essere possibile “intrecciare” i quattro modi zero di Majorana in una coppia di nanofili effettuando misure specifiche in un ordine preciso. Il risultato sarebbe un qubit con un mix di questi due stati, pari e dispari. Nayak afferma che il team ha fatto proprio questo, creando un sistema quantistico a due livelli, e che attualmente sta lavorando a un articolo sui risultati ottenuti.
I ricercatori esterni all’azienda affermano di non poter commentare i risultati dei qubit, poiché il documento non è ancora disponibile. Ma alcuni hanno parole di speranza per i risultati pubblicati finora. “Lo trovo molto incoraggiante”, afferma Travis Humble, direttore del Quantum Science Center dell’Oak Ridge National Laboratory, nel Tennessee. “Non è ancora sufficiente per affermare di aver creato dei qubit topologici. C’è ancora molto lavoro da fare”, afferma. Ma “questo è un buon primo passo verso la convalida del tipo di protezione che sperano di creare”.
Altri sono più scettici. Il fisico Henry Legg dell’Università di St Andrews in Scozia, che in precedenza aveva criticato Physical Review B per aver pubblicato l’articolo del 2023 senza un numero sufficiente di dati che consentissero di riprodurre i risultati in modo indipendente, non è convinto che il team stia vedendo le prove dei modi zero di Majorana nel suo articolo su Nature. Afferma che i primi test dell’azienda non hanno fornito una base solida per fare tali affermazioni. “L’ottimismo c’è sicuramente, ma la scienza non c’è”, afferma.
Una potenziale complicazione è rappresentata dalle impurità nel dispositivo, che possono creare condizioni simili alle particelle di Majorana. Ma Nayak afferma che le prove si sono rafforzate man mano che la ricerca procedeva. “Questo ci dà fiducia: stiamo manipolando dispositivi sofisticati e vediamo risultati coerenti con l’interpretazione di Majorana”, afferma.
“Hanno soddisfatto molte delle condizioni necessarie per un qubit di Majorana, ma ci sono ancora alcune caselle da controllare”, ha detto Das Sarma dopo aver visto i risultati preliminari sul qubit. “I progressi sono stati impressionanti e concreti”.
Scalare
A prima vista, gli sforzi topologici di Microsoft sembrano terribilmente arretrati nel mondo dell’informatica quantistica: l’azienda sta lavorando solo ora per combinare qubit a una sola cifra, mentre altri ne hanno messi insieme oltre 1.000. Ma sia Nayak che Das Sarma affermano che altri sforzi hanno avuto un forte vantaggio perché hanno coinvolto sistemi che avevano già una solida base di fisica. Il lavoro sul qubit topologico, invece, ha significato partire da zero.
“Stavamo davvero reinventando la ruota”, dice Nayak, paragonando gli sforzi del team agli albori dei semiconduttori, quando c’era ancora molto da capire sul comportamento degli elettroni e sui materiali, e i transistor e i circuiti integrati dovevano ancora essere inventati. Ecco perché questo percorso di ricerca è durato quasi 20 anni: “È il programma di ricerca e sviluppo più lungo nella storia di Microsoft”.
Il sostegno della Defense Advanced Research Projects Agency degli Stati Uniti potrebbe aiutare l’azienda a recuperare il ritardo. All’inizio di questo mese, Microsoft è stata selezionata come una delle due aziende che continueranno a lavorare sulla progettazione di un sistema in scala, attraverso un programma incentrato su approcci poco esplorati che potrebbero portare a computer quantistici su scala di utilità, ovvero i cui benefici superino i costi. L’altra azienda selezionata è PsiQuantum, una startup che mira a costruire un computer quantistico contenente fino a un milione di qubit utilizzando i fotoni.
Molti dei ricercatori con cui MIT Technology Review ha parlato vorrebbero ancora vedere come questo lavoro si concretizza nelle pubblicazioni scientifiche, ma sono fiduciosi. “Il più grande svantaggio del qubit topologico è che si tratta ancora di un problema di fisica”, afferma Das Sarma. “Se tutto ciò che Microsoft sostiene oggi è corretto… allora forse in questo momento la fisica sta per finire e può iniziare l’ingegneria”.
Foto di copertina: Microsoft ha inserito otto dei suoi nuovi qubit topologici su un chip, che chiama Majorana 1. Per gentile concessione di Microsoft.
