La ricerca sui computer quantistici ha compiuto un passo decisivo verso la realizzazione di qubit più stabili e affidabili grazie a un esperimento che ha permesso per la prima volta di leggere informazioni codificate in stati quantistici particolarmente sfuggenti: i modi zero di Majorana. Questi stati quantistici esotici, previsti teoricamente negli anni '30 dal fisico italiano Ettore Majorana, rappresentano una delle frontiere più promettenti per superare il principale ostacolo del calcolo quantistico, ovvero la perdita di informazione causata dalla decoerenza. Un gruppo di ricerca internazionale guidato dalla Delft University of Technology, con il contributo teorico fondamentale del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) spagnolo, ha dimostrato che è possibile accedere a questi stati protetti utilizzando una tecnica innovativa basata sulla capacitanza quantistica.
Il cuore del problema che i ricercatori hanno risolto risiede in un paradosso affascinante della fisica quantistica. I qubit topologici, che sfruttano i modi di Majorana, funzionano come "casseforti per l'informazione quantistica", spiega Ramón Aguado, ricercatore del CSIC presso l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) e coautore dello studio. A differenza dei qubit convenzionali, questi sistemi non memorizzano i dati in un punto specifico, ma distribuiscono l'informazione attraverso due stati quantistici collegati. Questa distribuzione garantisce una protezione naturale contro il rumore locale che causa la decoerenza, poiché per corrompere l'informazione un errore dovrebbe colpire l'intero sistema globalmente. Proprio questa caratteristica protettiva, però, si è rivelata il tallone d'Achille sperimentale: come si può misurare una proprietà che non risiede in alcun punto specifico dello spazio?
La soluzione è arrivata dalla costruzione di una nanostruttura modulare assemblata da componenti microscopici, paragonabile a un sistema di mattoncini Lego a scala quantistica. Il dispositivo, denominato catena minimale di Kitaev, è costituito da due punti quantici semiconduttori connessi attraverso un superconduttore. Questa architettura prende il nome dal fisico russo Alexei Kitaev, che nel 2001 propose un modello teorico per realizzare modi di Majorana in sistemi di materia condensata. L'approccio dal basso verso l'alto adottato dal team rappresenta un cambio di paradigma rispetto agli esperimenti precedenti: invece di operare alla cieca su combinazioni di materiali, i ricercatori costruiscono il sistema componente per componente, generando i modi di Majorana in modo controllato.
La vera svolta è arrivata con l'applicazione della tecnica della capacitanza quantistica, che agisce come una sonda globale sensibile allo stato complessivo del sistema. Dopo aver assemblato la catena minimale di Kitaev, il gruppo di ricerca è riuscito a determinare in tempo reale, con una singola misurazione, se lo stato quantistico combinato formato dai due modi di Majorana fosse pari o dispari. In termini pratici, questa informazione rivela se il qubit si trova in uno stato pieno o vuoto, definendo così come memorizza l'informazione. "L'esperimento conferma elegantemente il principio di protezione: mentre le misurazioni locali di carica sono cieche a questa informazione, la sonda globale la rivela chiaramente", afferma Gorm Steffensen, ricercatore dell'ICMM-CSIC che ha partecipato allo studio.
I risultati sperimentali hanno prodotto anche un'altra osservazione significativa. I ricercatori hanno rilevato eventi definiti come "salti casuali di parità", la cui analisi ha permesso di misurare una coerenza di parità superiore a un millisecondo. Questa durata, sebbene possa sembrare brevissima su scala umana, rappresenta un tempo eccezionalmente lungo per standard quantistici e apre prospettive concrete per operazioni future che coinvolgano qubit topologici basati sui modi di Majorana. La capacità di mantenere la coerenza quantistica per durate prolungate è infatti essenziale per eseguire calcoli quantistici complessi e correggere errori prima che l'informazione vada perduta.
Il lavoro pubblicato rappresenta la sintesi di competenze complementari tra la piattaforma sperimentale innovativa sviluppata principalmente presso la Delft University of Technology e il contributo teorico realizzato presso l'ICMM-CSIC. Gli autori sottolineano che il supporto teorico si è rivelato cruciale per interpretare questo esperimento altamente sofisticato, evidenziando come la collaborazione tra teoria ed esperimento rimanga fondamentale per i progressi nel campo del calcolo quantistico. Il progetto rientra nell'iniziativa QuKit, che mira a costruire sistemi quantistici modulari dal basso verso l'alto per generare e manipolare modi di Majorana in modo controllato.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la dimostrazione di principio. I qubit topologici potrebbero costituire la base per computer quantistici più stabili e scalabili, capaci di superare le limitazioni dei sistemi attuali che richiedono complicati protocolli di correzione degli errori. Tuttavia, il percorso verso computer quantistici pratici basati su questa tecnologia richiederà ulteriori sviluppi: sarà necessario dimostrare la capacità di manipolare questi stati protetti, implementare porte logiche quantistiche e integrare un numero maggiore di qubit mantenendo la coerenza.
