L’informatica quantistica rappresenta una delle frontiere più affascinanti e promettenti della scienza moderna. Con il potenziale di rivoluzionare settori che vanno dalla medicina alla scienza dei materiali, dalla crittografia all’intelligenza artificiale, i computer quantistici promettono di superare i limiti dei calcolatori classici. Al centro di questa rivoluzione si trovano i qubit, le unità fondamentali di informazione quantistica. Tuttavia, la fragilità dei qubit tradizionali, soggetti a errori e disturbi, ha rappresentato un ostacolo significativo verso la realizzazione di sistemi quantistici su larga scala. In questo contesto, l’annuncio di Microsoft relativo a Majorana 1 segna un potenziale punto di svolta. Sfruttando le proprietà uniche delle particelle di Majorana, scoperte dal fisico catanese nel 1937, i qubit diventano “topologici”, intrinsecamente più stabili e resistenti agli errori, così da aprire la strada alla costruzione di computer quantistici più affidabili e potenti. Ne parliamo con Antonino Caffo, giornalista esperto di tecnologia e collaboratore dell’ANSA.
Majorana 1 rappresenta una svolta per il calcolo quantistico. Quali sono le principali differenze rispetto ai chip quantistici tradizionali?
La differenza fondamentale risiede nel tipo di qubit utilizzati. Majorana 1 sfrutta i qubit topologici, basati sulle particelle di Majorana. Questi sono intrinsecamente più stabili e meno soggetti a errori rispetto ai qubit tradizionali (come quelli superconduttori o basati su ioni intrappolati), che sono estremamente sensibili alle interferenze esterne. I qubit topologici sono protetti da “intrecci” quantistici che li rendono più resistenti al “decoherence”, il fenomeno che causa la perdita di informazioni quantistiche. Questa maggiore stabilità è cruciale per la costruzione di computer quantistici su larga scala.
Microsoft afferma che questa tecnologia potrebbe portare a un computer quantistico su scala industriale in pochi anni. Quali sono le principali sfide da superare per rendere questa previsione una realtà?
Anche con i qubit topologici, costruire un computer quantistico con un numero sufficiente di qubit per applicazioni pratiche è una sfida enorme. È necessario trovare modi per produrre e controllare un gran numero di particelle di Majorana in modo affidabile. Manipolare e controllare i qubit topologici è complesso. Sono necessarie tecniche sofisticate per “intrecciarli” e eseguire calcoli quantistici. Sebbene i qubit topologici siano più resistenti agli errori, non sono immuni. Saranno comunque necessari metodi di correzione degli errori per garantire l’accuratezza dei calcoli. Serve sviluppare algoritmi quantistici capaci di sfruttare tutti i vantaggi del nuovo sistema.
I qubit topologici sono meno sensibili agli errori rispetto ad altre implementazioni. Quali vantaggi concreti potrebbero offrire rispetto ai qubit convenzionali?
La ridotta sensibilità agli errori significa che i computer quantistici basati su qubit topologici potrebbero eseguire calcoli più complessi e di lunga durata rispetto ai computer quantistici convenzionali. La maggiore stabilità potrebbe facilitare la costruzione su larga scala, con un numero di qubit sufficiente per applicazioni pratiche. La riduzione della necessità di sistemi di correzione d’errore complessi, comporterebbe una diminuzione dei costi di progettazione.
Il concetto di topoconduttore è una novità assoluta. Può spiegarci in termini semplici cos’è e perché è così importante per il futuro del quantum computing?
Un topoconduttore è un materiale che presenta proprietà sia di superconduttività (assenza di resistenza elettrica) sia di isolante topologico (conduzione di corrente solo sulla superficie). In un topoconduttore, le particelle di Majorana possono emergere come “quasi-particelle”, cioè entità che si comportano come particelle elementari. I topoconduttori sono cruciali per il calcolo quantistico perché offrono un ambiente ideale per la creazione e la manipolazione dei qubit topologici. A temperature estreme, il chip raggiunge la superconduttività, creando uno stato della materia inedito: non solido, liquido o gassoso, bensì topologico, preservando le sue proprietà intrinseche anche se sottoposto a torsioni e alterazioni. Questo stato permette al chip di accogliere particelle singolari, i “fermioni di Majorana”, che veicolano l’elettricità. Grazie alla loro stabilità, questi fermioni risolvono il problema principale dei computer quantistici: l’instabilità dei qubit, che spesso mutano dal loro stato 0 e 1 a causa di disturbi, perdendo le loro proprietà quantistiche. Il superconduttore topologico, in grado sia di condurre l’elettricità che di ospitare i fermioni di Majorana, offre protezione da errori e deterioramento. Tale ottimizzazione si traduce in un miglioramento sia delle dimensioni che delle funzionalità del dispositivo.
Microsoft ha ipotizzato applicazioni rivoluzionarie per Majorana 1, come materiali auto-riparanti e la scomposizione delle microplastiche. Quale di queste applicazioni ritiene più realizzabile nel breve termine?
Tra le applicazioni ipotizzate, la più realizzabile nel breve termine potrebbe essere lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà avanzate, come superconduttori ad alta temperatura o materiali con proprietà elettroniche personalizzate. La scomposizione delle microplastiche, pur essendo un obiettivo ambizioso, potrebbe richiedere ulteriori ricerche e sviluppi.
Quali saranno, secondo lei, gli impatti dell’informatica quantistica sulla ricerca scientifica e sulla nostra vita quotidiana nei prossimi 10-20 anni?
L’informatica quantistica potrebbe rivoluzionare la chimica, la scienza dei materiali, la biologia e la fisica, consentendo la simulazione di sistemi complessi e la scoperta di nuovi farmaci e materiali. Potrebbe portare a progressi significativi in campi come l’intelligenza artificiale, la crittografia, la finanza e la logistica, con applicazioni che vanno dalla progettazione di farmaci personalizzati all’ottimizzazione delle reti di trasporto.
Attualmente, quali sono i principali competitor di Microsoft in questo settore e come si posiziona Majorana 1 rispetto alle soluzioni di Google, IBM e altre aziende?
Google, IBM, Amazon e diverse startup stanno investendo massicciamente nel calcolo quantistico. Ad esempio, lo scorso dicembre, Google ha presentato Willow, un chip quantistico che ha risolto in meno di cinque minuti un calcolo che avrebbe richiesto ad un supercomputer odierno 10 settilioni di anni, più dell’età dell’universo. IBM ha una serie di processori quantistici denominati “Eagle”, con un numero crescente di qubit. Nel 2021, hanno annunciato il processore “Eagle” con 127 qubit, un importante passo avanti nella potenza di calcolo quantistico. Tutti progetti interessanti ma con una grossa differenza a vantaggio di Microsoft: la formula topologica, che di fatto è la vera rivoluzione odierna.
Crede che l’Europa sia in grado di competere con le big tech statunitensi nello sviluppo del quantum computing, oppure il divario è ormai troppo ampio?
Il divario è ampio, soprattutto in termini di investimenti e infrastrutture. L’Europa ha una forte tradizione nella ricerca scientifica e tecnologica, e sta investendo in iniziative per promuovere il calcolo quantistico. Con una strategia mirata e una collaborazione efficace tra pubblico e privato, l’Europa potrebbe ritagliarsi un ruolo importante in questo settore. Il blocco sta investendo miliardi di euro nelle tecnologie quantistiche attraverso il Quantum Flagship, con un budget di 1 miliardo di euro per i primi 10 anni (2018-2028). E poi c’è il CERN di Ginevra, un centro di ricerca che il mondo ci invidia, di cui l’Italia è uno dei Paesi fondatori. Non a caso, è diretto dal 2016 dalla fisica italiana Fabiola Gianotti.
