Il quantum computing, o calcolo quantistico, promette di cambiare il modo in cui elaboriamo le informazioni, aprendo nuove possibilità per la scienza, l’ingegneria e la società: un percorso che richiede tempo, in attesa che questa tecnologia diventi scalabile e affidabile. Un importante passo avanti in questa direzione è rappresentato dai superconduttori topologici, o topoconduttori, una nuova classe di materiali che ha permesso a Microsoft di creare Majorana 1, il primo chip quantistico al mondo basato su qubit topologici.

Allo stesso modo in cui l’invenzione dei semiconduttori ha reso possibili gli smartphone, i computer e i dispositivi elettronici che usiamo oggi, i topoconduttori, secondo l’annuncio del gigante tech americano, favoriranno nel corso dei prossimi “anni anziché decenni” lo sviluppo dei computer quantistici, capaci di affrontare con molta più rapidità e precisione problemi molto complessi su scala industriale.

Che cosa sono i superconduttori topologici

I superconduttori topologici sono una categoria speciale di materiali, in grado di creare un nuovo stato della materia: non solido, liquido o gassoso, ma topologico. Sono costituiti da una combinazione di semiconduttori, come l'arseniuro di indio, e di superconduttori, come l’alluminio, progettati e fabbricati a livello atomico per ottenere nanofili (strutture monodimensionali) superconduttivi topologici. 

Quando vengono raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e vengono sottoposti a campi magnetici, i superconduttori topologici generano le Modalità Zero di Majorana, particelle esotiche che immagazzinano informazioni quantistiche in modo protetto. Per quasi un secolo queste particelle dalle proprietà uniche sono rimaste sostanzialmente un concetto teorico presente solo nei libri di testo, mentre ora Microsoft è riuscita a crearle e controllarle su richiesta, rendendole il fondamento dei suoi qubit topologici.

Come funzionano i qubit topologici

I qubit (quantum bit) sono unità di informazione quantistica, sostanzialmente l’equivalente dei bit usati dai pc attuali. Rispetto ai qubit tradizionali, quelli topologici sono significativamente più piccoli, veloci e stabili e occupano uno spazio di appena 1/100 di millimetro. La loro stabilità deriva dalla protezione hardware intrinseca offerta dalla struttura topologica, che li rende resistenti agli errori causati dall'ambiente esterno.

Inoltre, i qubit topologici sono controllati digitalmente attraverso impulsi elettrici, eliminando la necessità di complessi segnali analogici e semplificando notevolmente la gestione di grandi quantità di qubit. Tutto questo rende possibile un approccio al quantum computing basato su misurazioni, quindi più affidabile, e consente una più efficiente correzione degli errori.

Perché i superconduttori topologici sono importanti

I ricercatori del gigante tecnologico americano sono riusciti a inserire otto qubit topologici su un singolo chip. Majorana 1, così chiamato in onore del fisico Ettore Majorana, è la prima unità di elaborazione quantistica (QPU) al mondo alimentata da un nucleo topologico, in grado di ospitare fino a 1 milione di qubit su un singolo processore delle dimensioni del palmo di una mano.

Sfruttando la potenza del quantum computing per mappare matematicamente il comportamento della natura con incredibile precisione, un computer quantistico da un milione di qubit potrebbe rivoluzionare settori come la chimica, la scienza dei materiali e l'agricoltura. Ad esempio, potrebbe consentire la creazione di materiali auto-riparanti per l'edilizia, l'industria manifatturiera o l'assistenza sanitaria, catalizzatori per abbattere microplastiche o sviluppare alternative sostenibili, enzimi per migliorare la fertilità del suolo o promuovere coltivazioni in climi estremi. E ancora, potrebbe portare a risolvere problemi complessi della catena logistica o decifrare codici di crittografia.

Prudenza dalla comunità scientifica

L’innovazione di Microsoft è raccontata in un articolo peer-reviewed pubblicato su Nature, ma, a partire dalla lettura di questo testo, all’interno della comunità scientifica sono nati inviti alla prudenza, anche in Italia. “A quanto ci è possibile leggere non c’è ancora la certezza che quello misurato sia effettivamente un qubit topologico. Dalle dichiarazioni di Microsoft, invece, pare assodato che il risultato sia stato ottenuto”, ha dichiarato a Italian.Tech Tommaso Calarco, fisico quantistico e docente all’università di Bologna. Già in passato la società di Redmond aveva affermato di aver sviluppato qubit topologici in un documento, successivamente ritirato perché erano stati evidenziati difetti scientifici.

Chetan Nayak, responsabile del gruppo di ricerca Microsoft, è intervenuto per rispondere ai dubbi simili, sorti un po’ in tutto il mondo. “I lettori dell’articolo su Nature avranno probabilmente notato che il documento è stato inviato per la revisione il 5 marzo 2024, e pubblicato il 19 febbraio 2025. Nell’anno appena trascorso abbiamo continuato a fare progressi”, ha spiegato sul blog dell’informatico americano Scott Aaronson.

Gli esperti, in generale, riconoscono l’importanza della ricerca, ma restano cauti sugli sviluppi futuri. Paul Stevenson, professore di fisica all’Università del Surrey, parla di “passo significativo” da parte di Microsoft, come riporta il Guardian, ma avverte che “i passi successivi sono difficili e, finché non saranno compiuti, è troppo presto per essere qualcosa di più che cautamente ottimisti”. Così è anche per George Booth, professore di fisica teorica al King’s College di Londra, interpellato sempre dal quotidiano britannico, secondo cui la ricerca rappresenta un “risultato tecnico impressionante” ma “resta da vedere se l’affermazione di ‘anni’ [piuttosto che di decenni, prima di uno sviluppo significativo] sia corretta”.

A questo proposito la statunitense DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ha scelto Microsoft per la fase finale del programma US2QC, che mira a capire se è possibile costruire un computer quantistico tollerante agli errori su scala industriale entro il 2033, molto più velocemente della maggior parte delle previsioni. La seconda realtà selezionata per il progetto è PsiQuantum, che utilizza invece la fotonica basata sul silicio, quindi la tecnologia legata alle onde luminose, per creare un computer quantistico a partire da un tessuto reticolare di qubit fotonici. Non resta che aspettare.

In copertina: Majorana 1 © Microsoft