ANAHEIM, CALIF. — Al più grande raduno mondiale di fisici, una conferenza sul nuovo tipo di chip per il calcolo quantistico di Microsoft è stata forse l’attrazione principale.
L’annuncio di febbraio di Microsoft riguardante un chip contenente i primi bit quantistici topologici, o qubit, ha scatenato un acceso dibattito nella comunità dei fisici. La scoperta è stata annunciata tramite comunicato stampa, senza dati pubblicamente condivisi a supporto. Un articolo contemporaneo su Nature non è riuscito a dimostrare un qubit topologico. Il ricercatore di Microsoft Chetan Nayak, coautore di quell’articolo, ha promesso di fornire prove solide durante il suo intervento del 18 marzo al Global Physics Summit della American Physical Society.
Prima della conferenza, il presidente della sessione ha fatto un annuncio: Seguite il codice di condotta; trattate gli altri con rispetto. La sala, gremita di centinaia di fisici ansiosi che riempivano i posti a sedere e stavano in piedi lungo le pareti, ha riso sapendo che l’implicazione era che il decoro potrebbe essere perso.
Il calcolo quantistico topologico è stato oscurato da una serie di affermazioni ritirate. Tuttavia, il concetto ha un grande potenziale. I qubit che compongono i computer quantistici sono notoriamente fragili e soggetti a errori. I qubit che sfruttano i concetti della topologia, la disciplina matematica che descrive strutture con buchi o anelli, potrebbero migliorare questa situazione. Con il calcolo quantistico topologico, “si possono avere tassi di errore molto bassi”, ha detto Nayak di Station Q di Microsoft a Santa Barbara, Calif., durante il suo intervento.
Gli scienziati non sono stati impressionati dai dati presentati.
Un grafico chiave sembrava un tremolio casuale, piuttosto che un segnale identificabile. Nayak ha affermato che un’analisi di quella apparente casualità ha rivelato un modello sottostante al rumore, suggerendo un qubit funzionante. Questo argomento non è stato sufficiente a convincere i critici più severi.
“I dati erano incredibilmente poco convincenti. È come se Microsoft Quantum stesse tentando un test di Rorschach simultaneo su centinaia di persone”, dice il fisico Henry Legg dell’Università di St. Andrews in Scozia, uno dei critici più accaniti del lavoro di Microsoft.
Tuttavia, altri erano ottimisti sul fatto che, con ulteriori sforzi, Microsoft potrebbe migliorare il loro dispositivo per produrre un segnale più chiaro. “Mi è sembrato un po’ prematuro chiamarlo un qubit”, dice il fisico Kartiek Agarwal del Argonne National Laboratory a Lemont, Ill. Ma “ci sono molti segni positivi”.
L’attrazione — e la resistenza — dei qubit topologici
I computer quantistici promettono di sbloccare nuovi tipi di calcoli, ma solo se possono essere resi affidabili. L’idea di costruire un qubit intrinsecamente meno soggetto a errori ha entusiasmato gli scienziati. “È uno degli approcci più creativi e originali al calcolo quantistico, e in questo senso, ho davvero tifato per esso”, dice il fisico Ivar Martin del Argonne National Laboratory.
Ma l’idea ha faticato a decollare, rimanendo indietro di decenni rispetto alle tecnologie di qubit più convenzionali.
Creare un qubit topologico richiede di provocare gli elettroni in un materiale a danzare in un certo modo. Il collettivo di elettroni si comporta come una cosa ipotetica, simile a una particella: un quasiparticella nota come Majorana. Ma creare le Majorana e dimostrare che esistono è stato estremamente difficile.
Microsoft ha fatto progressi impressionanti, nota Martin. Ma “per quanto riguarda la dimostrazione di cose che le persone a questo incontro considererebbero più importanti — mostrare davvero in modo convincente la fisica delle Majorana — è deludente per molti”.
Se è possibile essere meno che delusi, questo descriverebbe Legg, che ha tenuto una conferenza il giorno prima di Nayak. Ha espresso dubbi sulle fondamenta stesse del metodo di Microsoft in una sala piena fino all’orlo — sebbene una sala significativamente più piccola rispetto alla sede principale di Nayak.
Nel suo intervento, inserito all’ultimo minuto nel programma dell’incontro, Legg ha elencato una serie di critiche. La critica si è concentrata sul metodo utilizzato per dimostrare che il dispositivo è topologico in primo luogo — il “protocollo del gap topologico”, delineato in un articolo di Microsoft del 2023 su Physical Review B. Quel protocollo era difettoso, ha sostenuto nel suo intervento e in un articolo presentato l’11 marzo su arXiv.org. Ad esempio, ha argomentato Legg, il protocollo dà risultati diversi per gli stessi dati, a seconda dell’intervallo dei parametri inclusi, come la distribuzione dei valori del campo magnetico o della tensione.
“Qualsiasi azienda che afferma di avere un qubit topologico nel 2025 sta essenzialmente vendendo una favola, e penso che sia una favola pericolosa”, ha detto Legg. “Sottovaluta il campo del calcolo quantistico e, in generale, penso che sottovaluti, in realtà, la fiducia del pubblico nella scienza.”
Durante una sessione di domande e risposte immediatamente dopo l’intervento di Legg, il ricercatore di Microsoft Roman Lutchyn si è alzato con una replica energica: “Molte affermazioni qui sono semplicemente errate”, ha detto, elencando diverse delle affermazioni di Legg, che ha anche affrontato in un post su LinkedIn. “Sosteniamo i risultati in questi articoli.”
Condotta disordinata
A livello più elementare, i dispositivi di Microsoft consistono in nanofili di alluminio, larghi solo 60 nanometri, posizionati sopra un semiconduttore. Quando raffreddato, questo alluminio diventa superconduttore, permettendogli di trasmettere elettricità senza resistenza. Questo induce la superconduttività nel semiconduttore, creando condizioni ideali per le Majorana. Una volta che il dispositivo è sintonizzato su particolari valori di campo magnetico e tensione, le Majorana dovrebbero teoricamente apparire a ciascuna estremità dei nanofili.
Il disordine in questi dispositivi è un grosso problema per i qubit topologici. La rugosità della superficie o i difetti del materiale possono risultare in segnali spurii o risultati ambigui. Negli ultimi anni, i dispositivi di Microsoft sono migliorati enormemente in questo senso, dice il fisico Sankar Das Sarma dell’Università del Maryland a College Park. Ma, dice, “è necessario ancora qualche miglioramento… Penso che il disordine debba ancora diminuire di un altro fattore di due.”
Quando i fili di alluminio sono disposti a forma di H, creano un qubit con Majorana a ciascuna delle sue quattro estremità. Per rivendicare un qubit funzionante, Microsoft doveva dimostrare di poter effettuare misurazioni su di esso. Questo comporta il sondaggio di punti quantistici, nanoparticelle a forma di hot dog disposte vicino ai nanofili. Sono necessarie due tipi di misurazioni, note come X e Z.
Il nuovo qubit di Microsoft sembra una H sul suo lato. È fatto di due nanofili (verdi, in questa rappresentazione) collegati da un terzo (grigio). Due punti quantistici (forme di hot dog) permettono due diversi tipi di misurazioni, X e Z (indicate da linee tratteggiate). Il qubit si basa su quasiparticelle chiamate Majorana che dovrebbero risiedere alle estremità dei fili (rosse). Microsoft
Nell’articolo di febbraio su Nature, Microsoft ha dimostrato una misurazione Z, che comporta il sondaggio del punto quantistico associato a un singolo filo. Misurazioni Z ripetute hanno rivelato che il qubit passava tra due stati possibili, l’esito previsto per un qubit topologico. Queste transizioni indicavano presumibilmente cambiamenti di parità, riflettendo essenzialmente se c’era un numero pari o dispari di elettroni all’interno di un filo.
Durante l’intervento di Nayak, ha svelato la loro misurazione X, che sonda un punto quantistico adiacente a due nanofili. Il grafico di questi dati sembrava casuale, mancando dello stesso evidente passaggio tra due valori.
Il pubblico non sembrava particolarmente impressionato. Durante la sessione di domande e risposte, la fisica Eun-Ah Kim della Cornell University ha detto: “Mi sarebbe piaciuto che questo venisse fuori gridando che ci sono solo due, ma non penso che sia quello che vedo.”
Nayak ha detto che un’analisi statistica dei dati apparentemente casuali ha rivelato un modello nascosto. Ma, in un’email, Kim ha messo in dubbio la validità del metodo di Nayak per estrarre questo modello.
Anche riguardo alla misurazione Z più chiara, gli scienziati non sono ancora d’accordo se questo cambiamento costituisca una prova per le Majorana. “Sono convinto”, dice Das Sarma, “ma persone di buona volontà potrebbero non esserlo.”
Durante l’intervento, i partecipanti hanno alzato gli smartphone per scattare foto delle diapositive di Nayak, che hanno fatto il giro della comunità dei fisici. Subito dopo la presentazione, il fisico Sergey Frolov dell’Università di Pittsburgh, che non era presente all’incontro, ha pubblicato una dettagliata confutazione sulla piattaforma di social media BlueSky.
“[I] dati mostrati sono… solo rumore. Sono semplicemente deludenti”, ha scritto Frolov. Questo, ha suggerito, non promette bene per il chip contenente otto qubit che Microsoft ha annunciato a febbraio: “Quel chip non può funzionare, dato quello che abbiamo visto oggi.”
Non tutti gli scienziati sono critici quanto Legg e Frolov. Agarwal, ad esempio, pensa che il protocollo del gap topologico di Microsoft, la base del loro lavoro attuale, sia solido. Ma, nota, il dispositivo presentato da Nayak è impraticabile, dato che i suoi valori appaiono essenzialmente casuali. “Certamente non può essere usato come un qubit nel suo stato attuale. Questo è anche chiaramente ovvio”, dice Agarwal.
Nayak è fiducioso che il suo team migliorerà ulteriormente i loro dispositivi, fino a convincere gli scettici. Frolov, per parte sua, è sicuro che arriveranno altre ritrattazioni di articoli.