Microsoft, il qubit topologico e il segreto della natura

Per far lavorare i quantum computer del futuro Microsoft punta ad avere qubit più stabili di quelli prodotti sinora. Sono al centro del progetto Azure Quantum e dei suoi servizi

Forse la partita del computing non è finita con la dissoluzione della legge di Moore, che negli anni 90 del secolo scorso stabiliva che il numero di transistor nei processori raddoppiava ogni 18 mesi e con ciò ha determinato lo sviluppo del mercato mondiale dei computer.
Forse si sta aprendo una nuova era, quella del quantum computing commerciale, e fra i protagonisti ci sono ancora gli stessi di quella precedente.

Andiamo subito al punto: la svolta decisiva per un utilizzo diffuso, massivo, commerciale, del quantum computing è riuscire a far lavorare assieme milioni di qubit. E questo è l’obiettivo che si è data Microsoft.

Quantum e sostenibilità, il legame è forte

La ricerca scientifica oggi sta cercando di svolgere il tema della sostenibilità e della salvaguardia del pianeta, comprendendo i processi chimici o molecolari idonei ad aiutare a rimuovere i gas che riscaldano il clima, creare batterie migliori o fonti di energia sostenibili, produrre più cibo su un singolo acro di terra o aiutare a rimuovere gli inquinanti per creare acqua pulita.

Ma pur con le enormi capacità di calcolo di oggi, questi problemi non sono affrontabili con i computer classici, dato che richiederebbero decenni per essere risolti, mentre i computer quantistici possono elaborare le informazioni su una scala prima irraggiungibile.

Ma non basta: per affrontare questi problemi urgenti e del mondo reale saranno necessari computer quantistici che impieghino un milione di qubit o anche di più.

Come Microsoft è arrivata al qubit topologico

Ecco allora che si affaccia sulla scena l’opportunità del qubit topologico. Interessante riportare la descrizione che in un blog di Microsoft, dà Krysta Svore, ingegnera che guida il programma software quantistico. “La cosa sorprendente - dice - è che gli esseri umani sono stati in grado di progettare un sistema per dimostrare uno dei pezzi di fisica più sconosciuti dell’universo. E ci aspettiamo di fare ciò che era quasi impensabile: una macchina quantistica tollerante agli errori che consentirà il calcolo a un livello completamente nuovo che è più vicino al modo in cui opera la natura. Non è mai stato fatto prima, e fino ad ora non era mai stato certo che si potesse fare. E ora è come se sì, ecco questa conferma definitiva che siamo sulla strada giusta”.

Basandosi sui risultati di decenni di ricerca scientifica e su investimenti in tecnologie di simulazione, il gruppo di lavoro di Azure Quantum ha progettato dispositivi che consentono di indurre una fase topologica della materia delimitata da una coppia di modalità zero di Majorana. Queste reazioni quantistiche normalmente non esistono in natura e devono essere indotte ad apparire in condizioni molto precise.

Gli scienziati hanno cercato di creare e osservare queste eccitazioni da quando sono state teorizzate per la prima volta nel 1937, dal fisico italiano, Ettore Majorana.

Si sono resi conto che le modalità zero di Majorana possono svolgere un ruolo importante nella protezione delle informazioni quantistiche e nel consentire un calcolo affidabile.

Il team di Azure Quantum è stato in grado di produrre la cosiddetta fase topologica e di misurarne il gap che quantifica la stabilità.

La capacità di creare e sostenere una fase quantistica con le modalità zero di Majorana e un divario topologico misurabile rimuove il più grande ostacolo alla produzione di un tipo unico di qubit, che il sistema quantistico di Microsoft utilizzerà per archiviare e calcolare le informazioni, il qubit topologico.

È la base dell’approccio di Microsoft alla creazione di un computer quantistico che, stando a quanto dice la società, dovrebbe essere più stabile di sistemi costruiti con altri tipi di qubit.

Il team di ricerca di Azure Quantum si è concentrato sullo sviluppo di qubit topologici, che dovrebbero essere più veloci, più piccoli e meno inclini a perdere informazioni.

Microsoft ritiene che la creazione di un qubit topologico più stabile sia il percorso più nitido e veloce per costruire una macchina quantistica su scala industriale.

Ma, fino ad ora, lo svantaggio di perseguire un qubit topologico era che nessuno era sicuro che fosse possibile sfruttare la fisica quantistica sottostante per produrli.

Anche perché in un computer quantistico utilizzabile commercialmente, i qubit devono funzionare bene sulle tre dimensioni chiave: affidabilità, velocità e dimensioni.

Gli stati quantistici sono, per loro natura, fragili e soggetti a interruzioni, il che rende difficile mantenere uno stato in cui i qubit possono eseguire calcoli in modo affidabile.

Per dare vantaggi rispetto all’informatica classica, pertanto, i qubit devono anche elaborare le informazioni rapidamente.

Una sfida nello sviluppo di un computer quantistico è che i qubit collassano e si decodificano quando si altera lo stato ambientale per via di calore, incontro con particelle subatomiche, campi magnetici.

Le informazioni vengono perse e i qubit non sono più utili per il calcolo. Gli errori iniziano a verificarsi e il computer quantistico deve dedicare qubit ancora più inaffidabili alla loro correzione.

Microsoft ha quindi puntato a realizzare un qubit topologico con protezione integrata dal rumore ambientale, il che significa che dovrebbero essere necessari molti meno qubit per eseguire calcoli utili e correggere gli errori.

Per creare una protezione topologica, le informazioni quantistiche possono essere codificate in una coppia di modalità zero Majorana fisicamente separate.

Ciò rende un qubit topologico più immune al rumore ambientale, che non può interagire o distruggere le informazioni quando ne incontra solo una.

Che cos’è Azure Quantum

Azure Quantum è un servizio per il calcolo quantistico che mette a disposizione un set eterogeneo di soluzioni e tecnologie quantistiche.

Propone un ambiente di sviluppo per creare algoritmi quantistici per più piattaforme contemporaneamente mantenendo la flessibilità per ottimizzare gli stessi algoritmi per sistemi specifici. Pere farlo è possibile scegliere tra linguaggi di programmazione quantistici, come Qiskit, Cirq e Q# ed eseguire gli algoritmi in più sistemi quantistici.

Azure Quantum segue due percorsi per creare le soluzioni quantistiche.
Con il percorso di calcolo quantistico è possibile imparare, sperimentare e creare prototipi con diversi provider di hardware quantistici.
Con il percorso di ottimizzazione è possibile sviluppare soluzioni utili per ridurre i costi operativi in campi come settore finanziario, costi energetici, gestione delle flotte, pianificazione.

Gli sviluppatori software possono usare strumenti di programmazione familiari per creare applicazioni quantistiche, come i pacchetti Qiskit o Cirq Python, ed apprendere il linguaggio completo, predefinito per il linguaggio quantistico, Q#.

I ricercatori possono testare gli algoritmi quantistici e le teorie e simulare in modo efficiente sistemi quantistici, ad esempio superconduttività e formazioni molecolari complesse.

Il kit di sviluppo Microsoft Quantum (QDK) è un open source per Azure Quantum, che consente di lavorare con il servizio online e offline. Il kit di sviluppo include il linguaggio di programmazione quantistica Q#.

Il linguaggio Q# consente l’integrazione per il calcolo classico e il calcolo quantistico, supporta il flusso di controllo classico generale durante l’esecuzione di un algoritmo. Ciò consente l’espressione pulita di algoritmi quantistici adattivi difficili da esprimere direttamente nel modello di circuito di una sequenza fissa di cancelli quantistici.

Il linguaggio Q# non specifica se i qubit sono logici o fisici. Questa decisione viene presa dal runtime quando l’algoritmo viene eseguito.