I computer quantistici non sono semplici “evoluzioni” dei PC tradizionali: rappresentano una rivoluzione radicale che si fonda sui principi della meccanica quantistica, come la sovrapposizione e l’entanglement.
Al cuore di questa nuova era troviamo i processori quantistici, o QPU, la cui potenza di calcolo è infinitamente più elevata rispetto ai migliori processori desktop. Un’affermazione audace, ma fondata su basi teoriche e sperimentali sempre più solide.
In questa corsa globale verso il futuro, l’Italia ha un legame profondo grazie alla figura di Ettore Majorana, uno dei più brillanti fisici teorici del Novecento. Majorana, noto per il suo genio precoce e la misteriosa scomparsa nel 1938, ha lasciato un’eredità scientifica enorme. Tra le sue intuizioni più straordinarie c’è la previsione dell’esistenza delle particelle di Majorana, che sono al tempo stesso materia e antimateria.
Oggi, la teoria di Majorana si materializza nel primo processore quantistico topologico mai costruito: Majorana 1, sviluppato da Microsoft.
Questo chip utilizza i cosiddetti qubit topologici, basati proprio sulle particelle ipotizzate da Majorana, offrendo maggiore stabilità e resistenza al rumore rispetto ai qubit convenzionali. È un traguardo che segna l’inizio di una nuova fase dell’informatica quantistica, e che vede idealmente la firma di un italiano sul futuro del calcolo.
Cos’è un processore quantistico?
Un processore quantistico è l’unità centrale di un computer quantistico. A differenza dei processori tradizionali, che elaborano informazioni usando bit binari (0 e 1), i processori quantistici lavorano con qubit: unità d’informazione che possono trovarsi in più stati contemporaneamente, grazie al principio di sovrapposizione.
Inoltre, i qubit possono essere intrecciati tra loro tramite il fenomeno dell’entanglement, permettendo operazioni che nei computer classici sarebbero impraticabili o richiederebbero tempi astronomici.
I processori quantistici possono essere realizzati con diverse tecnologie: qubit superconduttori (utilizzati da Google e IBM), ioni intrappolati (IonQ), qubit fotonici (Xanadu), o – come nel caso di Majorana 1 – qubit topologici, che offrono un vantaggio enorme in termini di stabilità e correzione degli errori.
Come funziona un processore quantistico?
Il funzionamento di un QPU ruota attorno a tre elementi fondamentali:
- Qubit: al contrario dei bit classici, un qubit può essere sia 0 che 1 allo stesso tempo. Questo consente un’esplorazione simultanea di molte soluzioni in un problema computazionale;
- Porte quantistiche: operazioni che manipolano i qubit, analoghe ai gate logici dei circuiti classici, ma capaci di sfruttare le leggi quantistiche;
- Circuiti quantistici: sequenze di porte che realizzano algoritmi specifici, come quello di Shor (fattorizzazione di numeri primi) o di Grover (ricerca ottimizzata in un database non ordinato);
Nel caso dei qubit topologici, il vantaggio risiede nel fatto che le informazioni sono “protette” da proprietà geometriche, rendendo il sistema più resistente al rumore.
Il chip Majorana 1 utilizza strutture nanoscopiche per isolare e manipolare questi qubit, rappresentando un vero cambio di paradigma.
Lo stato dell’arte “quantistica”
La corsa al calcolo quantistico è oggi più viva che mai. Siamo ancora nell’era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), in cui i processori hanno un numero limitato di qubit e sono ancora sensibili agli errori. Tuttavia, importanti traguardi sono stati raggiunti: Google ha dimostrato la quantum supremacy, cioè la capacità di risolvere un compito che un supercomputer classico non potrebbe completare in tempi utili.
Nel frattempo, aziende come IBM, Amazon, Intel e soprattutto Microsoft stanno investendo miliardi per superare i limiti attuali. Il chip Majorana 1 si distingue per l’utilizzo dei qubit topologici, considerati da molti come la via maestra per realizzare un computer quantistico davvero scalabile e affidabile.
Questo chip è ancora un prototipo, ma ha dimostrato di poter funzionare in ambienti criogenici e di controllare più qubit in maniera coerente, aprendo la strada a dispositivi quantistici molto più grandi e performanti nei prossimi anni.
Quali sono le principali difficoltà del percorso?
Nonostante i progressi, restano ancora numerosi ostacoli tecnici non indifferenti da affrontare:
- Decoerenza: i qubit perdono facilmente le loro proprietà quantistiche, spesso in pochi microsecondi;
- Rumore: interferenze ambientali o termiche alterano i risultati;
- Correzione degli errori: è necessaria per operare in modo affidabile, ma richiede un gran numero di qubit fisici per simulare un singolo qubit logico;
- Scalabilità: integrare centinaia di migliaia o milioni di qubit in un singolo processore rimane una sfida ingegneristica notevole;
- Condizioni estreme: i processori devono operare a temperature prossime allo zero assoluto, in camere criogeniche complesse e costose;
I qubit topologici offrono una soluzione interessante ad alcune di queste problematiche, riducendo drasticamente la necessità di correzione degli errori.
Dunque, abbiamo capito come ci si trovi all’alba di una trasformazione profonda del modo in cui concepiamo il calcolo.
I processori quantistici, con la loro architettura rivoluzionaria, stanno gradualmente superando i limiti dell’informatica classica. E proprio nel cuore di questa rivoluzione ritroviamo un nome italiano: Ettore Majorana, che con le sue intuizioni ha ispirato il chip che porta il suo nome.
Il suo genio, apparentemente svanito nel nulla, continua oggi a plasmare una delle tecnologie più promettenti del futuro.
Il cammino è ancora lungo, ma sempre più concreto. La domanda non è più se i computer quantistici cambieranno il mondo, ma quando!
