Il nuovo chip quantistico di Microsoft è Majorana1 e prende il nome dal fisico italiano. Per far funzionare i qubit, infatti, non usa gli elettroni ma le quasi-particelle di Majorana, che garantiscono le piccole dimensioni dell’oggetto e una maggiore stabilità.
È la prima volta al mondo che un chip quantistico utilizza dei qubit topologici per i calcoli e che raggiunge il milione di qubit in un singolo oggetto. Si tratta di una scoperta fondamentale e rivoluzionaria per quanto riguarda il settore dell’informatica.
Come funziona un computer quantistico
Prima di descrivere le novità che presenta Majorana1, è necessario comprendere come funziona un computer quantistico. Quest’ultimo, a differenza dei dispositivi tradizionali, non usa i bit, ma i qubit (quantum bit),i quali possono esistere in più stati, contemporaneamente. Grazie a tale proprietà, il computer quantistico è in grado di compiere calcoli complessi in parallelo.
L’aspetto negativo è che, così facendo, il dispositivo è altamente delicato e sensibile alle interferenze. Dunque, tale fragilità, nei computer quantistici tradizionali, necessita di sistemi elaborati di rimedio agli errori, che prevedono per ogni qubit utile centinaia o migliaia di qubit aggiuntivi, dedicati al controllo e alla correzione delle fallacie.
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Le novità di Majorana1
La novità principale che apporta Majorana1 è l’utilizzo di una nuova particella, quale quella di Majorana, per l’appunto, per la realizzazione di qubit stabili che non hanno bisogno di complessi sistemi di correzione. Il fisico italiano, Enrico Majorana, ha teorizzato delle particelle fermioniche nel 1937, caratterizzate da una coincidenza con la propria antiparticella.
Per la prima volta, dunque, Microsoft ha osservato e controllato delle quasi-particelle di Majorana, siccome limitano in parte alcune proprietà dei fermioni elaborati dal fisico. La ricerca per arrivare a tale svolta è durata 17 anni e ha consentito la realizzazione del topoconduttore che si trova alla base del chip Majorana1.
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Cosa sono i qubit topologici?
I qubit topologici sono uno stato di materia, il quale presenta delle proprietà stabili sotto le perturbazioni locali. Generalmente, per comprendere meglio il loro funzionamento, si fa il seguente esempio. Se una tazza viene compressa a tal punto da diventare una ciambella, cambierà la sua forma ma non le proprietà topologiche, cioè la presenza del buco. Quest’ultimo, quindi, resiste alle deformazioni, nello stesso modo in cui l’informazione nei qubit topologici resiste agli errori.
I qubit topologici, infatti, sono protetti intrinsecamente dagli errori, siccome sfruttano le particelle Majorana che hanno la caratteristica unica di essere le loro stesse antiparticelle. In questo modo, quando due particelle Majorana interagiscono, o si annichiliscono completamente oppure coesistono stabilmente, rendendo l’informazione naturalmente resistente alle interferenze.
Come è strutturato il chip?
Microsoft ha realizzato delle strutture a forma di H sul chip, dove ognuna di esse contiene quattro particelle Majorana controllabili, che insieme formano un solo qubit. Ciò permette che la protezione degli errori sia intrinseca nelle particelle che interagiscono tra loro. Il dispositivo che è stato utilizzato per testare tali funzionalità è composto da un nanofilo di arseniuro di indio e da uno strato di alluminio.
La combinazione dei materiali ha permesso la creazione di una struttura ibrida semiconduttore-superconduttore, che diventa topologica quando si applica un campo magnetico specifico mantenendo una temperatura bassa. La stabilità intrinseca dei qubit topologici, invece, ha consentito di raggiungere un’estrema precisione. Il chip Majorana1 contiene 8 qubit ma può ne raggiungere fino a 1 milione, mantenendo sempre una dimensione ridotta.
L’approccio ibrido di Majorana1
Microsoft definisce Majorana1 come un acceleratore quantistico abbinato a un sistema di calcolo tradizionale a transistor, che divide i problemi da gestire in: parti che beneficiano del calcolo quantistico, le quali vanno al chip Majorana1; parti che vengono elaborate dal computer classico. Dopo che i calcoli sono completati, i risultati vengono risintetizzati sul lato classico e dati all’utente come una risposta completa.
Si nota, dunque, come quello di Majorana 1 sia un approccio ibrido, che può avere riscontri nel mondo reale. Infatti, le caratteristiche del chip consentiranno la progettazione di nuovi materiali, lo sviluppo di alternative non tossiche alla plastica, l’ottimizzazione degli enzimi per aumentare la fertilità del suolo, la progettazione di materiali e molecole senza errori.
