I computer quantistici domineranno il mondo? Il nuovo chip di Microsoft Majorana 1

Dopo 17 anni di ricerca Microsoft ha rilasciato il suo primo processore quantistico: il Majorana 1. Ecco di cosa si tratta e il confronto con il chip di Google ‘Willow’

Dopo 17 anni di ricerca, Microsoft ha annunciato una possibile svolta epocale nel campo dell’informatica quantistica: Majorana 1, il suo primo processore quantistico. Un dispositivo grande quanto il palmo di una mano, che potrebbe segnare un prima e un dopo nella storia della tecnologia.

Secondo quanto dichiarato dall’azienda, il cuore di questa innovazione risiede in una particella subatomica rivoluzionaria, che ha permesso di generare un nuovo stato della materia. Il risultato? Un processore potenzialmente più potente della capacità computazionale combinata di tutti i computer esistenti sul pianeta.

Ma Microsoft non è l’unico colosso a investire in questo settore. Google, con il suo chip quantistico Willow, sta percorrendo una strada completamente diversa per raggiungere la supremazia quantistica. Cos’è e come funziona un computer quantistico? Quali sono le differenze tra queste due soluzioni?

Computer quantistico: Majorana 1 vs. Willow, due architetture a confronto

L’annuncio di Microsoft ha sorpreso molti, e il video di presentazione ha suscitato reazioni contrastanti. Da un lato, un senso di entusiasmo per il progresso tecnologico che questa scoperta potrebbe rappresentare. Dall’altro, la consapevolezza della portata immensa di questa innovazione, che sembra quasi trascendere la comprensione attuale dell’informatica.

Ma andiamo con ordine. Fino ad oggi, i problemi che coinvolgono più di 20 elettroni contemporaneamente erano considerati irrisolvibili. Anche un supercomputer grande quanto l’intero pianeta non avrebbe avuto la potenza necessaria per calcolarne i risultati con precisione e in tempi ragionevoli.

Tuttavia, Microsoft sembra aver trovato una soluzione. Il Majorana 1 potrebbe essere il primo passo verso computer quantistici capaci di affrontare calcoli di una complessità mai vista prima. Secondo Microsoft, non serviranno decenni prima che questa tecnologia diventi operativa. Il team ha già lavorato per 17 anni a questa innovazione e sembra pronto a spingere lo sviluppo dei computer quantistici verso una nuova era.

Anche Google ha annunciato il suo processore quantistico Willow, che è riuscito a risolvere un calcolcolo di riferimento standard in soli 5 minuti. Secondo i suoi sviluppatori il miglior supercomputer del mondo avrebbe impiegato per risolvere lo stesso problema ben 10 septilioni (1025) di anni.

Se le previsioni dell’azienda si riveleranno corrette, potremmo essere molto più vicini di quanto pensiamo a un cambiamento radicale nel mondo della computazione. E con esso, potrebbero arrivare implicazioni enormi per la crittografia, la sicurezza informatica e persino il settore crypto.

Il futuro è quantistico. La domanda è: siamo pronti?

Cenni di meccanica quantistica: il paradosso del gatto di Shrodinger

Per capire cos’è e come funziona un computer quantistico, è fondamentale partire dalle basi della meccanica quantistica, la branca della fisica che ne studia i principi. Un buon punto di partenza per introdurre questi concetti è il paradosso del gatto di Schrödinger, un esperimento mentale ideato nel 1935 dal fisico Erwin Schrödinger per spiegare la sovrapposizione di stato che evidenzia la natura controintuitiva della meccanica quantistica quando applicata a un sistema macroscopico.

L’esperimento immagina un gatto chiuso in una scatola insieme a un meccanismo che può rilasciare un veleno letale in base al decadimento di una particella subatomica, un evento governato dalle leggi probabilistiche della fisica quantistica. Secondo questa teoria, fino a quando nessuno apre la scatola per osservare lo stato del gatto, il sistema si trova in una sovrapposizione di stati: l’evento può essere sia accaduto che non accaduto. Questo porta alla conseguenza paradossale che il gatto, secondo la descrizione quantistica, è simultaneamente vivo e morto fino al momento dell’osservazione, ovvero quando si apre la scatola.

Per noi “comuni mortali” abituati alla fisica classica tutto questo sembra privo di senso. Tuttavia, è un concetto cruciale per comprendere il funzionamento dei computer quantistici. A differenza dei computer tradizionali, che si basano sulla logica binaria (0 e 1), i computer quantistici sfruttano proprio il principio della sovrapposizione quantistica, permettendo ai loro elementi fondamentali – i qubit – di esistere in più stati contemporaneamente.

ll ruolo fondamentale dei Qubit

Non è possibile comprendere cos’è e come funziona un computer quantistico senza parlare della sua componente essenziale: il qubit. Se nei computer tradizionali l’unità di base dell’informazione è il bit (che può assumere solo i valori 0 o 1), nei computer quantistici entrano in gioco i qubit (quantum bit), introdotti dal fisico teorico Benjamin Schumacher.

Per capire il loro funzionamento, possiamo partire dal modo in cui vengono costruiti i chip nei computer tradizionali. Questi si basano sui transistor, dispositivi che controllano il flusso di corrente elettrica e che negli ultimi anni sono diventati incredibilmente piccoli, fino a dimensioni atomiche.

Per dare un’idea:

Come abbiamo visto nell’esperimento del gatto di Schrödinger, la meccanica quantistica contempla la sovrapposizione degli stati. In altre parole il gatto che abbiamo conosciuto all’inizio di questo articolo, fino al momento dell’osservazione, è contemporaneamente vivo e morto. Per semplificare il concetto, possiamo usare un’altra analogia: il lancio di una moneta:

Questa proprietà, insieme ad un fenomeno noto come l’entanglement che non approfondiremo per non complicare ulteriormente il discorso, consente ai computer quantistici di elaborare molteplici possibilità simultaneamente, aumentando esponenzialmente la potenza di calcolo rispetto ai computer tradizionali. Ed è proprio su questi principi che Microsoft, Google e altri attori del settore stanno cercando di costruire i computer quantistici del futuro.

Microsoft, con Majorana 1, ha scelto un approccio basato sulle particelle di Majorana, mentre Google, con Willow, sta sviluppando un’architettura diversa. Nei prossimi paragrafi vedremo quali sono le differenze tra queste due soluzioni e quale potrebbe avere il maggiore impatto sulla tecnologia del futuro.

I computer quantistici: le sfide e i topoconduttori

Ora che sappiamo cosa sono i qubit è ora di comprendere il principale ostacolo alla progettazione di computer quantistici effettivamente funzionanti: la stabilità. La maggior parte degli hardware in cricolazione non è utilizzabile per via del problema del rumore quantistico, che causa errori nei calcoli e riduce l’affidabilità del sistema. Più qubit vengono introdotti all’interno di un sistema e più questo diventa rumoroso e difficile da governare, pricipalmente perché soltanto la loro presenza condiziona gli esiti delle loro operazioni.

Microsoft ritiene che la chiave per risolvere il problema del rumore risieda nei materiali e nel design dei chip. Gli stati della materia classici sono solido, liquido e gassoso, ma cosa accadrebbe se fosse possibile ingegnerizzarne di nuovi? Questo è esattamente ciò che hanno fatto: hanno osservato e controllato la particella di Majorana, teorizzata per la prima volta nel 1937 dal fisico Ettore Majorana.

Questa particella esiste solo in condizioni quantistiche speciali e si comporta come la propria antiparticella. Dopo decenni di ricerche, Microsoft è riuscita per la prima volta a controllare questa particella e ha creato un nuovo materiale, un topoconduttore, che funge sia da semiconduttore che da superconduttore. Questo ha permesso la costruzione di un core topologico, capace di contenere milioni di qubit in un chip della dimensione del palmo di una mano.

Microsoft ha sviluppato un chip in grado di misurare la presenza della particella di Majorana. Questo permette di costruire qubit topologici, che risolvono i problemi di rumore e di decoerenza che affliggono le architetture quantistiche attuali.

Il processo è il seguente:

A differenza dei chip tradizionali, ogni atomo in Majorana 1 è posizionato con precisione assoluta. Inoltre, il chip non utilizza elettroni per i calcoli, ma direttamente particelle di Majorana, che si comportano come mezzi elettroni.

Willow: il chip quantistico di Google

Anche Google ha sfruttato gli ultimi anni per lavorare ad un processore quantistici. Il prodotto originato dal lavoro della azienda tech prende il nome di Willow, un chip quantistico dotato di alcune caratteristiche incredibilmente rivoluzionarie.

Innazitutto Willow è in grado di correggere gli errori dei qubit. Come abbiamo già anticipato i qubit sono estremamente fragili, dato che interagendo con l’ambiente circostante generano errori che compromettono i loro calcoli. Per decenni, aumentare il numero di qubit ha significato amplificare questi  errori, rendendo i sistemi sempre più instabili. Willow ribalta questa dinamica. Utilizzando una griglia di qubit codificati (da 3×3 a 7×7) e algoritmi di correzione in tempo reale, il chip riduce gli errori in modo esponenziale all’aumentare dei qubit. Ad esempio, raddoppiando le dimensioni della griglia, il tasso di errore si dimezza. Questo risultato ha dimostrato (per la prima volta) che è possibile costruire sistemi quantistici scalabili e affidabili e ha aperto la strada allo sviluppo di computer quantistici utilizzabili.

Inoltre, come già anticipato nell’introduzione, Willow ha superato il benchmark RCS (Random Circuit Sampling), un test che verifica la capacità di un computer quantistico di eseguire calcoli impossibili per i sistemi classici. Mentre un supercomputer come Frontier richiederebbe 10 septilioni di anni (10^25) per completare il compito, Willow lo ha risolto in meno di 5 minuti. 

Cosa si può fare con i computer quantistici?

Le applicazioni del quantum computing su larga scala stanno ridisegnando il futuro della scienza e della tecnologia. In ambito chimico e dei materiali, questa tecnologia abilita simulazioni avanzate che permettono agli scienziati di testare ipotesi complesse senza dover ricorrere a esperimenti fisici, accelerando così la scoperta di nuovi composti o materiali innovativi. Un altro campo rivoluzionario è quello energetico: il quantum computing potrebbe portare allo sviluppo di batterie ultra efficienti, in grado di mantenere una carica per anni, trasformando radicalmente settori come le energie rinnovabili o l’elettronica di consumo.

Non solo: l’integrazione con l’Intelligenza Artificiale apre scenari inediti. Grazie alla capacità di elaborare enormi dataset in tempi record, algoritmi quantistici potrebbero potenziare l’analisi predittiva, l’apprendimento automatico e l’ottimizzazione di sistemi complessi, dall’industria alla logistica. Infine, in medicina, questa tecnologia promette di rivoluzionare la ricerca farmacologica, consentendo la scoperta di enzimi finora sconosciuti e la creazione di farmaci personalizzati, riducendo tempi e costi degli attuali processi di sviluppo.

In sintesi, il quantum computing non è solo un’evoluzione tecnologica, ma un catalizzatore per innovazioni trasversali che toccano ogni aspetto della vita umana.

L’informatica quantistica solleva domande sulla sicurezza crittografica, in particolare per quanto riguarda il mondo delle criptovalute. Attualmente, Bitcoin e altre blockchain utilizzano la crittografia a curve ellittiche (ECC) per garantire la sicurezza delle transazioni. Tuttavia, con l’avvento dei computer quantistici, questi sistemi potrebbero diventare vulnerabili.

Oggi, per violare una chiave ECC a 256 bit, sarebbe necessario un computer quantistico tollerante agli errori con milioni di qubit fisici. L’algoritmo di Shor, che potrebbe decifrare l’ECC, è ancora puramente teorico e richiede progressi significativi nella correzione degli errori quantistici e nell’hardware quantistico.

Microsoft ha dichiarato che le applicazioni pratiche di Majorana 1 sono questione di anni, non di decenni. Questo significa che, nel prossimo futuro, la comunità crypto potrebbe dover adottare sistemi di crittografia resistente a questa rivoluzionaria tecnologia, come la crittografia basata su reticoli.

L’introduzione del chip di Microsoft Majorana 1 e di quello di Googlesegna un enorme in avanti nell’informatica quantistica. Se Microsoft riuscirà a scalare questa tecnologia, potremmo assistere a una rivoluzione scientifica senza precedenti. Il mondo della computazione cambierà radicalmente, con impatti profondi in settori come la chimica, l’intelligenza artificiale e la sicurezza informatica.Bitcoin e la crittografia tradizionale potrebbero doversi adattare a questa nuova realtà, ma nel frattempo, l’epoca del quantum computing è ufficialmente iniziato.