Microsoft inventa un nuovo stato della materia per il chip di calcolo quantistico Majorana-1

Nuovo Stato della Materia per Scalare il Computer Quantistico

È stato un periodo ricco di eventi per i progressi nel calcolo quantistico e per le aziende che abbiamo trattato in “5 migliori aziende di calcolo quantistico del 2025”.

È iniziato con il Willow di Google nel dicembre 2024, forse il primo chip quantistico scalabile in assoluto. È seguito dalla notizia del primo calcolo quantistico distribuito attraverso un collegamento di rete ottica, aprendo la strada a computer quantistici collegati come quelli normali in server dedicati.

Ora è il turno di Microsoft (MSFT ) di fare un grande colpo con la presentazione di Majorana 1, un chip che utilizza uno stato della materia completamente nuovo per eseguire il calcolo quantistico: i topoconductors.

Microsoft afferma che i topoconductors possono produrre qubit più affidabili e scalabili, i mattoni fondamentali dei computer quantistici.

Questo percorso completamente nuovo per il calcolo quantistico cambia radicalmente il modo in cui Microsoft intende costruire i suoi futuri computer quantistici, con “un percorso chiaro per inserire un milione di qubit su un singolo chip che può stare nel palmo della mano”.

Cosa Sono i Topoconductors?

Sembra che l’origine della svolta derivi da un nuovo approccio, volto a creare un transistor dedicato al calcolo quantistico, andando oltre ciò che è stato fatto finora.

“Abbiamo fatto un passo indietro e detto ‘OK, inventiamo il transistor per l’era quantistica. Quali proprietà deve avere?

Ecco davvero come siamo arrivati qui – è la combinazione particolare, la qualità e i dettagli importanti nella nostra nuova pila di materiali che hanno permesso un nuovo tipo di qubit e, in ultima analisi, l’intera nostra architettura.”

Chetan Nayak, Microsoft technical fellow

I superconduttori topologici, descritti nell’articolo corrispondente pubblicato su Nature¹, con il titolo “Misurazione interferometrica a singola prova della parità in dispositivi ibridi InAs–Al“, sono uno stato della materia diverso da quello più familiare di solido, liquido o gas, o anche da quelli più esotici come il plasma o il condensato di Bose‑Einstein.

Lo stato topologico era stato teorizzato solo fino a poco tempo fa, per primo da Ettore Majorana (1906‑1938), ma improvvisamente sembra non solo osservabile ma anche controllabile. Questa particella di Majorana (anche chiamata fermione di Majorana), una particella che è la propria antiparticella, è stata osservata per la prima volta dai ricercatori di Microsoft nel 2024.

Le particelle di Majorana sono in qualche modo simili agli elettroni e potrebbero essere usate per preservare dati quantistici utili per il calcolo quantistico.

Non è stato affatto un successo da un giorno all’altro e sembra essere il risultato di oltre 17 anni di ricerca, il progetto di ricerca più lungo di Microsoft, e fino ad ora un segreto molto ben custodito.

Per semplificare le cose (molto), un topoconductor è un semiconduttore che condivide parte del suo comportamento a livello atomico e sub‑atomico con i materiali superconduttori.

Fonte: Microsoft

Il modo in cui è stato realizzato è fondendo in un filo indio‑arseniuro (un semiconduttore) e alluminio (un superconduttore).

Fonte: Physical Review

Quando raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e sintonizzati con campi magnetici, questi dispositivi formano nanofili superconduttori topologici, contenenti le cosiddette Majorana Zero Modes (MZM) alle estremità dei fili.

Fonte: Microsoft

Stato Quantistico Ultra‑Stabile

In un superconduttore “normale”, qualsiasi elettrone non accoppiato può essere rilevato perché la sua presenza richiede energia extra. Questo rende la sua misurazione semplice, ma lo rende anche molto sensibile al rumore e alle perturbazioni dell’ambiente, rendendo difficile qualsiasi calcolo quantistico.

I MZM sono radicalmente diversi, poiché un elettrone non accoppiato è condiviso tra una coppia di MZM, rendendolo invisibile all’ambiente. Questa proprietà unica delle particelle di Majorana protegge l’informazione quantistica, rendendola ultra‑stabile e affidabile.

Elettroni Invisibili

Ovviamente, sebbene ciò sia ideale per preservare lo stato quantistico in una condizione stabile e utile, rende anche qualsiasi misurazione reale estremamente difficile, da qui il motivo per cui le particelle di Majorana sono state teoriche per un secolo fino a tempi molto recenti.

Pur rendendo i nostri topoconductors candidati ideali per i qubit, presenta anche una sfida: Come leggiamo l’informazione quantistica così ben nascosta? Come possiamo distinguere, ad esempio, 1.000.000.000 da 1.000.000.001 elettroni?

La soluzione di Microsoft al problema ha sfruttato i quantum dot, un materiale unico di cui abbiamo discusso ampiamente in “Investire nei risultati del Premio Nobel – Quantum Dots & Nanocolors”. Si può descrivere come un minuscolo dispositivo semiconduttore che può immagazzinare carica elettrica.

Il quantum dot è posizionato all’estremità del nanofilo topologico. Questa connessione aumenta la capacità del dot di trattenere carica. Crucialmente, l’aumento esatto dipende dalla parità del nanofilo.

Fonte: Microsoft

Quindi, misurando lo stato dei quantum dot, un processo ben compreso che utilizza microonde, il sistema può anche misurare lo stato quantistico altrimenti invisibile della particella di Majorana.

Fonte: Nature

Non solo la misurazione è possibile, ma è anche estremamente affidabile, anche con un primo prototipo, prima di qualsiasi ulteriore ottimizzazione.

Abbiamo progettato i nostri dispositivi in modo che questi cambiamenti siano sufficientemente grandi da misurare in modo affidabile in un singolo colpo. Le nostre misurazioni iniziali avevano una probabilità di errore dell’1 %, e abbiamo identificato percorsi chiari per ridurla in modo significativo.

Qubit Ultra‑Affidabili

Cambia completamente l’approccio alla misurazione dello stato quantistico usato nel calcolo quantistico.

Fino ad ora, ciò richiedeva la rotazione degli stati quantistici attraverso angoli precisi, richiedendo segnali di controllo analogico complessi personalizzati per ogni qubit. Ciò rendeva la correzione degli errori, basata sullo stesso metodo, estremamente complessa, costosa e complessivamente meno affidabile.

Invece, il metodo scoperto da Microsoft può semplicemente correggere gli errori collegando e scollegando i quantum dot dai nanofili, usando un impulso digitale.

Fonte: Microsoft

Se sei interessato, puoi approfondire i dettagli su come i topoconductors sono stati sviluppati in questa lunga intervista con Dr. Chetan Nayak, il leader di questo progetto Microsoft.

Architettura Intrinsecamente Scalabile

Poiché il sistema è molto più semplice in termini di ingegneria, se non di fisica delle particelle, ed è anche più affidabile e stabile, è naturalmente più facile da scalare.

Il componente di base sarebbe un “tetron”, costituito da 2 nanofili, 4 MZM e 4 quantum dot, creando un dispositivo a 2 qubit.

Quando accoppiato con un altro, può formare un dispositivo a due qubit di base che supporta un metodo usato per il calcolo quantistico chiamato “trasformazioni di braiding basate sulla misurazione”.

Una matrice 4×2 di tetrons potrebbe eseguire il rilevamento degli errori su due qubit logici.

Fonte: Microsoft

Questo blocco potrebbe poi essere replicato decine, centinaia o, in ultima analisi, migliaia o milioni di volte per costruire un enorme computer quantistico, molto più grande di qualsiasi cosa immaginata fino ad ora.

Non è forse sorprendente che il calcolo quantistico ci richieda di ingegnerizzare un nuovo stato della materia specificamente progettato per abilitarlo.

Ciò che è notevole è quanto sia già accurata la nostra tecnica di lettura, dimostrando che stiamo sfruttando questo stato della materia esotico per il calcolo quantistico.

Puoi vedere come appare il chip Majorana da questo rendering, partendo dalla particella di Majorana fino al chip intero tenuto nella mano di una persona.

Infine, la parte chiave che rende questa tecnologia particolarmente scalabile è la piccolezza dei componenti fisici. Di conseguenza, più di un milione di qubit fisici possono essere inseriti in un piccolo chip che può stare in una mano.

Fonte: Microsoft

Miglioramenti Ulteriori

Come spiegato, anche la probabilità di errore dell’1 % nella misurazione dei quantum dot e dei MZM può essere ulteriormente ridotta. I ricercatori di Microsoft stanno già individuando un modo per farlo.

Poiché gli errori nel calcolo si accumulano, ridurre di 10 volte il tasso di errore potrebbe aumentare di molto il potenziale di calcolo utile finale.

Un altro aspetto che può essere migliorato è la stabilità complessiva dello stato quantistico delle particelle di Majorana.

“L’energia esterna—come le radiazioni elettromagnetiche—può rompere le coppie di Cooper, creando elettroni non accoppiati che possono invertire lo stato del qubit da parità pari a dispari. Tuttavia, i nostri risultati mostrano che ciò è raro, avvenendo in media una sola volta per millisecondo.”

Poiché il sistema sviluppato da Microsoft ha dimostrato una stabilità impressionante, indica che lo schermaggio sta già svolgendo bene il suo compito. Tuttavia, è probabile che esistano ulteriori modi per ridurre ulteriormente le interferenze, già oggetto di indagine.

Accelerare la Rivoluzione del Calcolo Quantistico

Il prossimo passo per Microsoft è costruire la matrice 4×2 di tetrons oltre il prototipo iniziale e testarla su larga scala.

E poi utilizzare l’intera matrice a otto qubit per implementare il rilevamento degli errori quantistici (QEC) su due qubit logici.

Poiché i qubit topologici hanno una protezione dagli errori integrata, semplifica notevolmente il QEC. Inoltre, Microsoft afferma che i suoi codici QEC personalizzati riducono il sovraccarico di circa 10 volte rispetto all’approccio precedente di stato dell’arte.

Quindi non solo i qubit basati su Majorana sono più affidabili, ma possono funzionare più velocemente e richiedere meno qubit fisici per produrre un qubit logico.

(i qubit logici sono le unità di misura utili per le applicazioni pratiche, allo stesso modo in cui un processore è misurato in operazioni al secondo e non solo dal numero di transistor contenuti)

“Crediamo che questa svolta ci permetterà di creare un vero computer quantistico significativo non in decenni, come alcuni hanno predetto, ma in anni.”

Satya Nadella – CEO di Microsoft

Applicazioni

Scienza

La comunicazione di Microsoft su Majorana 1 è principalmente incentrata sui risultati scientifici che potrebbe generare, soprattutto in biologia e scienze dei materiali.

Questi sono campi molto importanti per il calcolo quantistico, poiché dal ripiegamento delle proteine ai materiali complessi per batterie, il calcolo di come si comportano a livello atomico è estremamente esigente in termini di computazione, spingendo al limite i supercomputer attuali.

I computer quantistici scalabili potrebbero simulare questi problemi milioni o addirittura trilioni di volte più efficientemente, probabilmente consentendo un flusso massiccio di nuove scoperte.

Questo avverrà non solo eseguendo calcoli prima impossibili, ma anche evitando miliardi di dollari in ricerche sperimentali esaustive e esperimenti in laboratorio.

• Materiali auto‑riparanti che riparano le crepe nei ponti.
• Agricoltura sostenibile.
• Scoperta chimica più sicura.

In un’intervista di un’ora, il CEO di Microsoft ha persino spiegato che, dal suo punto di vista, il modo per valutare se il calcolo quantistico e l’IA funzionano adeguatamente è la crescita economica globale.

“Il vero benchmark è se il mondo cresce del 10 %” più di qualsiasi altra metrica.”

Satya Nadella – CEO di Microsoft

Crittografia & Difesa

I computer quantistici hanno il potenziale di rompere quasi tutti i metodi di crittografia attualmente usati, inclusi quelli per comunicazioni militari, codici nucleari, trasferimenti bancari, ecc.

Quindi è ovviamente una questione assolutamente cruciale per il governo degli Stati Uniti (e per tutte le altre grandi potenze) non essere colti di sorpresa dai progressi nel calcolo quantistico.

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha selezionato Microsoft come una delle due aziende per avanzare alla fase finale del loro rigoroso programma di benchmarking noto come Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), (l’altra azienda è il calcolo quantistico fotonico PsiQuantum).

US2QC ha riunito esperti di DARPA, Air Force Research Laboratory, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory e NASA Ames Research Center.

Calcolo Quantistico e Azienda del Particella di Majorana

Microsoft

Mentre Microsoft è più nota per la sua presenza molto forte nei sistemi operativi con Windows, è anche un colosso in molti altri settori tecnologici.

Ad esempio, è leader nelle soluzioni aziendali, inclusi Office (Outlook, Word, Excel e PowerPoint), ma anche nelle chiamate aziendali (Teams), nello storage cloud condiviso (OneDrive), in Visio (diagrammi, grafici), Loop (spazio di lavoro collaborativo) e Access (database).

Pur non essendo il leader nei servizi cloud (dominati da AWS di Amazon ), Microsoft rappresenta il 20 % dell’infrastruttura cloud globale attraverso la sua piattaforma Azure, pari alla quota combinata di Google + Alibaba + Oracle.

Fonte: Statista

Microsoft è anche proprietaria di LinkedIn, GitHub, Xbox e di molti dei più grandi studi di videogiochi al mondo.

Fonte: Microsoft

Per quanto riguarda l’IA, Microsoft si è concentrata maggiormente su casi d’uso tecnici e applicazioni aziendali piuttosto che su app consumer, in particolare con il programma AI4Science, su IA utili per la ricerca scientifica.

Ciò include, ad esempio, accelerare il lavoro dei ricercatori di materiali per progettare nuove molecole o elettrodi per batterie facendo un’IA che riduce 32 milioni di potenziali materiali a 500 000 candidati, e poi a 800 in meno di 80 ore.

Fonte: Microsoft

Società come Unilever stanno già usando questa “Chimica Generativa” per accelerare le loro scoperte scientifiche.

Fino ad ora, per quanto riguarda il calcolo quantistico, Microsoft sembrava essere in ritardo rispetto a Google o IBM; offriva servizi cloud di calcolo quantistico con Azure Quantum. Il servizio può anche offrire “computazione ibrida”, mescolando il calcolo quantistico con il tradizionale servizio cloud di supercomputer.

Fonte: Microsoft

Ora che l’hardware rivoluzionario che sfrutta le particelle di Majorana è stato rivelato, cambia completamente la posizione reale dell’azienda.

Lontano dall’essere in ritardo, stava semplicemente perfezionando il suo grande annuncio e costruendo il software e i casi d’uso che i suoi clienti industriali utilizzeranno con i suoi computer quantistici scalabili.

Questo è un allontanamento radicale da un’azienda per lo più focalizzata sul software rispetto all’hardware, con l’eccezione della console Xbox.

E uno che potrebbe rivelarsi estremamente redditizio se si dimostrerà che la particella di Majorana è la chiave per computer quantistici scalabili e ultra‑potenti a milioni di qubit, fornendo ulteriore crescita a un’azienda già di dimensioni enormi.

(Puoi anche leggere il nostro articolo che mette in luce Microsoft nel suo complesso in modo più dettagliato, oltre il calcolo quantistico, per comprendere meglio l’azienda).

Riferimento di Studio:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. et al. (2025) Misurazione interferometrica a singola prova della parità in dispositivi ibridi InAs–Al. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}