Qual è lo stato topologico, il quarto stato della materia che si dice abbia raggiunto Microsoft?

Microsoft ha annunciato un'importante svolta nello sviluppo dell'informatica quantistica con l'introduzione del suo chip Majorana 1 , basato sulla superconduttività topologica .

Questo dispositivo utilizza particelle chiamate fermioni di Majorana per migliorare la stabilità dei qubit quantistici, riducendo significativamente gli errori e le interferenze esterne. La chiave di questo progresso sta nello sfruttamento di uno stato esotico della materia noto come stato topologico.

Lo stato topologico della materia ha catturato l'interesse di scienziati e tecnologi per le sue proprietà uniche, che potrebbero rivoluzionare non solo l'informatica quantistica, ma anche l'elettronica e la fisica dei materiali. Ma cos'è esattamente questo stato e perché è così importante?

Il concetto di stato topologico della materia deriva dalla topologia, una branca della matematica che studia le proprietà degli oggetti che rimangono invariate sottoposte a deformazioni continue, come allungamenti o torsioni, purché non si rompano o si fondano. Nella fisica dei materiali, la topologia descrive il modo in cui determinate proprietà elettroniche possono essere rese resistenti alle perturbazioni o alle impurità.

Un materiale in stato topologico ha una caratteristica fondamentale: mentre il suo interno si comporta come un isolante, i suoi bordi o superfici possono condurre elettricità senza resistenza. Questa particolarità è dovuta alla struttura elettronica del materiale, che protegge gli stati limite dai disturbi esterni, garantendo una guida stabile e altamente efficiente.

Lo studio degli stati topologici della materia ha ricevuto un notevole impulso nel 2016, quando i fisici David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per le loro ricerche sulle transizioni di fase topologiche. Le loro scoperte hanno contribuito a comprendere come certe fasi della materia possano apparire in condizioni estreme, come temperature prossime allo zero assoluto.

Uno dei fenomeni più notevoli in questo campo è l'effetto Hall quantistico, in cui una lamina metallica esposta a un campo magnetico a temperature estremamente basse mostra una conduttanza elettrica quantizzata ai bordi, mentre l'interno rimane isolante. Questo fenomeno è stato fondamentale per lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati.

L'informatica quantistica ha il potenziale per risolvere problemi che sarebbero intrattabili con i computer convenzionali. Tuttavia, una delle sfide principali è la stabilità dei qubit, poiché sono estremamente sensibili ai disturbi esterni che possono causare errori nei calcoli.

È qui che gli stati topologici giocano un ruolo cruciale. La superconduttività topologica, come quella utilizzata nel chip Majorana 1 di Microsoft, combina la capacità di alcuni materiali di condurre elettricità senza resistenza con la robustezza degli stati topologici. Di conseguenza, i qubit generati in questo stato sono intrinsecamente più stabili e meno inclini alla perdita di coerenza quantistica.

Microsoft ha prodotto con successo nanofili superconduttori topologici che funzionano a temperature prossime allo zero assoluto, rappresentando un passo importante verso la creazione di computer quantistici pratici e scalabili.

La scoperta e l'applicazione dello stato topologico della materia aprono nuove opportunità in molteplici settori, dall'elettronica all'informatica quantistica. Con aziende come Microsoft che puntano su questa tecnologia, il futuro dell'informatica quantistica appare più luminoso che mai. Con il progredire della ricerca, è probabile che nei prossimi anni assisteremo a nuove sorprendenti applicazioni di questo stato della materia.