Majorana 1, un nuovo chip Microsoft che promette computer quantistici più stabili

Microsoft ha annunciato di aver compiuto progressi significativi nella sua ricerca ventennale per la creazione di qubit topologici, un approccio speciale nella costruzione di computer quantistici che potrebbe renderli più stabili e facili da scalare. L’azienda ha messo otto di questi nuovi qubit topologici su un chip, chiamato Majorana 1.

L’importanza dei computer quantistici

La ricerca sui computer quantistici è stata al centro dell’attenzione di ricercatori e aziende per anni, in quanto promette di sbloccare nuove capacità nel simulare materiali complessi e scoprire nuovi materiali. Tuttavia, per raggiungere questo potenziale, è necessario costruire sistemi sufficientemente grandi e stabili per eseguire calcoli complessi.

Le tecnologie attuali, come i qubit superconduttori perseguiti da Google e IBM, sono estremamente delicate e richiedono molti qubit aggiuntivi per correggere gli errori. Microsoft sta lavorando su un’alternativa che potrebbe ridurre questo sovraccarico utilizzando componenti molto più stabili, chiamati quasiparticelle di Majorana.

Nonostante alcuni ostacoli, inclusa una ritrattazione di un articolo di alto profilo nel 2018, il team di Microsoft è fiducioso di essere sulla buona strada per costruire un computer quantistico tollerante ai guasti con migliaia di qubit nei prossimi anni. L’azienda ha annunciato alcuni successi iniziali, tra cui la validazione fondamentale del sistema in un articolo pubblicato su Nature.

Il ruolo dei qubit topologici

I qubit topologici sono costruiti attraverso complessi intrecci matematici che offrono una protezione dagli errori intrinseca alla loro fisica. Microsoft ha lavorato per sintetizzare lo stato di fermione di Majorana in forma di quasiparticelle, sperando di replicare il comportamento di queste particelle all’interno dei materiali.

Il fermione 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 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.

Nonostante le sfide, Microsoft ha pubblicato un articolo nel 2023 che afferma che il sistema ha superato un protocollo specifico per valutare la presenza di modalità zero di Majorana. Tuttavia, alcuni ricercatori rimangono scettici, sottolineando che sono necessarie ulteriori prove per confermare i risultati.

Il primo passo nella costruzione di un computer quantistico consiste nel costruire 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 l’hardware rumoroso.

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.

Majorana 1 di Microsoft: il “transistor” per l’era quantistica

“Ok, inventiamo il transistor per l’era quantistica. Quali proprietà deve avere?”, dichiara Chetan Nayak, technical fellow di Microsoft. “Ed è proprio così che siamo arrivati a questo punto: è la particolare combinazione, la qualità e i dettagli importanti del nostro nuovo stack di materiali che hanno permesso un nuovo tipo di qubit e, in definitiva, la nostra intera architettura”.
La nuova architettura utilizzata per sviluppare il processore Majorana 1 offre un percorso chiaro per inserire un milione di qubit in un singolo chip che può stare nel palmo di una mano, dichiara Microsoft. Si tratta di una soglia necessaria affinché i computer quantistici possano offrire soluzioni trasformative nel mondo reale, come la scomposizione delle microplastiche in sottoprodotti innocui o l’invenzione di materiali autorigeneranti per l’edilizia, la produzione o la sanità. Tutti gli attuali computer del mondo che operano insieme non possono fare quello che un computer quantistico da un milione di qubit sarà in grado di fare.
“Qualunque cosa si stia facendo nello spazio quantistico deve avere un percorso verso un milione di qubit. Se così non fosse, si andrebbe a sbattere contro un muro prima di arrivare alla scala in cui si possono risolvere i problemi veramente importanti che ci motivano”, afferma Nayak. “Abbiamo effettivamente elaborato un percorso per arrivare a un milione”.

Cos’è il superconduttore topologico

Il topo-conduttore, o superconduttore topologico, è una categoria speciale di materiali in grado di creare uno stato della materia completamente nuovo – non un solido, un liquido o un gas, ma uno stato topologico. Questo viene sfruttato per produrre un qubit più stabile, veloce, piccolo e controllabile digitalmente, senza i compromessi richiesti dalle alternative attuali.
Questa svolta ha richiesto lo sviluppo di uno stack di materiali completamente nuovo, composto da arseniuro di indio e alluminio, che Microsoft ha progettato e fabbricato atomo per atomo. L’obiettivo è stato quello di creare nuove particelle quantistiche chiamate Majorane e sfruttare le loro proprietà uniche per raggiungere il prossimo orizzonte dell’informatica quantistica, ha dichiarato Microsoft.
Il primo nucleo topologico al mondo che alimenta il Majorana 1 è affidabile per progettazione, incorporando una resistenza agli errori a livello hardware che lo rende più stabile.

Le applicazioni importanti dal punto di vista commerciale richiederanno trilioni di operazioni su un milione di qubit, il che sarebbe proibitivo con gli approcci attuali che si basano su un controllo analogico di precisione di ciascun qubit. Il nuovo approccio di misurazione del team Microsoft consente di controllare i qubit in modo digitale, ridefinendo e semplificando notevolmente il funzionamento dell’informatica quantistica.
Questo progresso convalida la scelta fatta da Microsoft anni fa di perseguire la progettazione di un qubit topologico: una sfida scientifica e ingegneristica ad alto rischio e alta remunerazione che ora sta dando i suoi frutti.

Microsoft collabora con la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)

“Fin dall’inizio volevamo realizzare un computer quantistico che avesse un impatto commerciale, non solo una leadership di pensiero”, ha dichiarato Matthias Troyer, technical fellow di Microsoft. “Sapevamo di aver bisogno di un nuovo qubit. Sapevamo che dovevamo scalare”.

Questo approccio ha portato la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), un’agenzia federale che investe in tecnologie innovative importanti per la sicurezza nazionale, a includere Microsoft in un programma rigoroso per valutare se le tecnologie innovative di calcolo quantistico possano costruire sistemi quantistici commercialmente rilevanti più velocemente di quanto convenzionalmente ritenuto possibile.
Microsoft è ora una delle due aziende invitate a passare alla fase finale del programma DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – uno dei programmi che compongono la più ampia Quantum Benchmarking Initiative della DARPA – che mira a realizzare il primo computer quantistico tollerante ai guasti su scala industriale, ovvero un computer il cui valore computazionale superi i suoi costi.

Oltre a produrre il proprio hardware quantistico, Microsoft ha collaborato con Quantinuum e Atom Computing per raggiungere progressi scientifici e ingegneristici con gli attuali qubit, tra cui l’annuncio, lo scorso anno, del primo computer quantistico affidabile del settore.
Questi tipi di macchine offrono importanti opportunità per sviluppare competenze quantistiche, creare applicazioni ibride e guidare nuove scoperte, in particolare quando l’AI viene combinata con nuovi sistemi quantistici che saranno alimentati da un numero maggiore di qubit affidabili.

Azure Quantum

Oggi Azure Quantum offre una suite di soluzioni integrate che consentono ai clienti di sfruttare queste piattaforme leader di AI, calcolo ad alte prestazioni e quantistica in Azure per far progredire la scoperta scientifica.
Ma per raggiungere il prossimo orizzonte dell’informatica quantistica sarà necessaria un’architettura quantistica in grado di fornire un milione di qubit o più e di raggiungere trilioni di operazioni veloci e affidabili. Microsoft ha dichiarato che questo orizzonte è raggiungibile in pochi anni, non in decenni.

Alcuni problemi che i computer quantistici dovrebbero saper risolvere

Poiché possono utilizzare la meccanica quantistica per mappare matematicamente il comportamento della natura con incredibile precisione – dalle reazioni chimiche alle interazioni molecolari e alle energie degli enzimi – le macchine da un milione di qubit dovrebbero essere in grado di risolvere alcuni tipi di problemi nella chimica, nella scienza dei materiali e in altri settori che sono impossibili da calcolare con precisione per gli attuali computer classici.

• Per esempio, potrebbero aiutare a risolvere la difficile questione chimica del perché i materiali subiscono la corrosione o le crepe. Questo potrebbe portare a materiali autorigeneranti in grado di riparare le crepe nei ponti o nelle parti degli aerei, gli schermi dei telefoni in frantumi o le portiere delle auto graffiate.
• Poiché esistono molti tipi di plastica, attualmente non è possibile trovare un catalizzatore unico in grado di decomporli, il che è particolarmente importante per ripulire le microplastiche o affrontare l’inquinamento da carbonio. Il calcolo quantistico potrebbe calcolare le proprietà di tali catalizzatori per scomporre gli inquinanti in sottoprodotti di valore o per sviluppare alternative non tossiche.
• Gli enzimi, un tipo di catalizzatore biologico, potrebbero essere sfruttati in modo più efficace nella sanità e nell’agricoltura, grazie a calcoli accurati sul loro comportamento che solo l’informatica quantistica è in grado di fornire. Questo potrebbe portare a scoperte che aiutino a sradicare la fame nel mondo: aumentare la fertilità del suolo per incrementare i raccolti o promuovere una crescita sostenibile degli alimenti in climi rigidi.
  Soprattutto, l’informatica quantistica potrebbe consentire a ingegneri, scienziati, aziende e altri soggetti di progettare semplicemente le cose giuste al primo tentativo, il che sarebbe trasformativo per qualsiasi settore, dall’assistenza sanitaria allo sviluppo di prodotti.
• La potenza dell’informatica quantistica, combinata con strumenti di intelligenza artificiale, consentirebbe di descrivere in un linguaggio semplice il tipo di nuovo materiale o molecola che si vuole creare e di ottenere subito una risposta funzionante, senza congetture o anni di tentativi ed errori.
  “Qualsiasi azienda che produce qualsiasi cosa potrebbe progettarla perfettamente al primo tentativo. E ti darebbe semplicemente la risposta”, afferma Troyer. “Il computer quantistico insegna all’AI il linguaggio della natura, in modo che l’AI possa semplicemente dirvi la ricetta di ciò che volete produrre”.

Ripensare l’informatica quantistica su scala

Il mondo quantistico opera secondo le leggi della meccanica quantistica, che non sono le stesse leggi fisiche che governano il mondo che vediamo. Le particelle sono chiamate qubit, o bit quantistici, analoghi ai bit, o uno e zero, che i computer utilizzano oggi.
I qubit sono difficili e altamente suscettibili alle perturbazioni e agli errori provenienti dall’ambiente circostante, che ne causano la disgregazione e la perdita di informazioni. Il loro stato può essere influenzato anche dalla misurazione, un problema perché la misurazione è essenziale per il calcolo. Una sfida intrinseca è quella di sviluppare un qubit che possa essere misurato e controllato, proteggendolo al contempo dal rumore ambientale che lo corrompe.
I qubit possono essere creati in diversi modi, ciascuno con vantaggi e svantaggi.

Quasi 20 anni fa, Microsoft decise di seguire un approccio unico: sviluppare qubit topologici, che riteneva potessero offrire qubit più stabili che richiedevano una minore correzione degli errori, ottenendo così vantaggi in termini di velocità, dimensioni e controllabilità. L’approccio comportava una curva di apprendimento ripida, che richiedeva scoperte scientifiche e ingegneristiche inesplorate, ma era anche la strada più promettente per creare qubit scalabili e controllabili in grado di svolgere lavori di valore commerciale.
Lo svantaggio è – o era – che fino a poco tempo fa le particelle esotiche che Microsoft ha cercato di utilizzare, chiamate Majorana, non erano mai state viste o prodotte. Non esistono in natura e possono essere create solo con campi magnetici e superconduttori. La difficoltà di sviluppare i materiali giusti per creare le particelle esotiche e lo stato topologico della materia ad esse associato è il motivo per cui la maggior parte degli sforzi quantistici si è concentrata su altri tipi di qubit.

Le particelle di Majorana

L’articolo di Nature conferma che Microsoft non solo è riuscita a creare particelle di Majorana, che aiutano a proteggere le informazioni quantistiche da disturbi casuali, ma è anche in grado di misurare in modo affidabile tali informazioni utilizzando le microonde.
Le particelle di Majorana nascondono le informazioni quantistiche, rendendole più robuste, ma anche più difficili da misurare. Il nuovo approccio di misurazione del team Microsoft è così preciso da poter rilevare la differenza tra un miliardo e un miliardo e uno di elettroni in un filo superconduttore – il che indica al computer in quale stato si trova il qubit e costituisce la base per la computazione quantistica.
Le misure possono essere attivate e disattivate con impulsi di tensione, come un interruttore della luce, invece di regolare i quadranti per ogni singolo qubit. Questo approccio di misurazione più semplice, che consente il controllo digitale, semplifica il processo di calcolo quantistico e i requisiti fisici per costruire una macchina scalabile.

Majorana 1, un chip quantistico che sta in un palmo di mano

Il qubit topologico di Microsoft ha un vantaggio rispetto agli altri qubit anche per le sue dimensioni. Anche per un qubit così piccolo esiste una zona “Goldilocks”, in cui un qubit troppo piccolo è difficile da collegare alle linee di controllo, mentre un qubit troppo grande richiede una macchina enorme, spiega Troyer.

L’aggiunta della tecnologia di controllo individuale per questi tipi di qubit richiederebbe la costruzione di un computer poco pratico, delle dimensioni di un hangar per aerei o di un campo da calcio…
Majorana 1, il chip quantistico di Microsoft che contiene sia i qubit sia l’elettronica di controllo circostante, può essere tenuto nel palmo di una mano e si adatta perfettamente a un computer quantistico che può essere facilmente distribuito all’interno dei data center Azure.
“Una cosa è scoprire un nuovo stato della materia”, dice Nayak. “Un’altra è sfruttarlo per ripensare l’informatica quantistica su scala”.

Progettare materiali quantistici atomo per atomo

L’architettura topologica dei qubit di Microsoft è costituita da nanofili di alluminio uniti tra loro a formare una H. Ogni H ha quattro Majorana controllabili e costituisce un qubit. Anche questi H possono essere collegati e disposti sul chip come tante piastrelle.

“È complesso perché abbiamo dovuto mostrare un nuovo stato della materia per arrivarci, ma poi è abbastanza semplice. Si dispone a piastrelle. Si tratta di un’architettura molto più semplice che promette un percorso di scalabilità molto più rapido”, dichiara Krysta Svore, technical fellow di Microsoft.

“Il chip quantistico non funziona da solo. Esiste in un ecosistema con logica di controllo, un frigorifero a diluizione che mantiene i qubit a temperature molto più fredde dello spazio esterno e uno stack software in grado di integrarsi con l’intelligenza artificiale e i computer classici. Tutti questi pezzi esistono, costruiti o modificati interamente in casa”, aggiunge.
“Per essere chiari, continuare a perfezionare questi processi e far funzionare insieme tutti gli elementi su scala accelerata richiederà altri anni di lavoro ingegneristico. Ma molte difficili sfide scientifiche e ingegneristiche sono state superate, dichiara Microsoft.
Una delle parti più difficili è stata quella di trovare la giusta combinazione di materiali per produrre uno stato topologico della materia”, aggiunge Svore.

Al posto del silicio, il topo-conduttore di Microsoft è fatto di arseniuro di indio, un materiale attualmente utilizzato in applicazioni come i rivelatori a infrarossi e che ha proprietà particolari. Il semiconduttore si sposa con la superconduttività, grazie al freddo estremo, per creare un ibrido.
“Stiamo letteralmente spruzzando atomo per atomo. I materiali devono allinearsi perfettamente. Se ci sono troppi difetti nella pila di materiali, il qubit viene ucciso”, illustra Svore.
“Ironicamente, è anche il motivo per cui abbiamo bisogno di un computer quantistico, perché la comprensione di questi materiali è incredibilmente difficile. Con un computer quantistico in scala, saremo in grado di prevedere materiali con proprietà ancora migliori per costruire la prossima generazione di computer quantistici oltre la scala”, conclude Svore.

Il futuro dei computer quantistici

Negli ultimi anni, l’approccio di Microsoft si è incentrato sulla creazione di un filo sottilissimo o “nanofilo” di arseniuro di indio, un materiale 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 si trovano elettroni spaiati in un superconduttore: gli elettroni si accoppiano. 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.

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.

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. “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 validazione 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 la prova 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”, dice.

Ciononostante, Microsoft sembra essere indietro rispetto ad altre aziende nel mondo del calcolo quantistico, ma il sostegno della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) degli Stati Uniti potrebbe aiutare l’azienda a recuperare terreno. L’approccio topologico potrebbe rappresentare un importante passo avanti, portando la fisica a una conclusione e aprendo la strada all’ingegneria.

Conclusioni

La ricerca sui qubit topologici di Microsoft rappresenta un importante progresso nel campo dei computer quantistici. Sebbene ci siano ancora molte sfide da affrontare, i recenti sviluppi offrono speranza per un futuro in cui i computer quantistici possano diventare una realtà pratica e rivoluzionaria.