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1. Dal fermione di Majorana al computer quantistico – Intervista a Fausto Intilla.
Sono trascorsi ormai circa quattro anni, dall’annuncio della scoperta
dei fermioni di Majorana (o per essere più precisi, dalla scoperta di
quasiparticelle identificabili, ma solo in termini matematici, con i
fermioni di Majorana), da parte di un team di fisici dell’Università
di Princeton. A circa due anni fa, risale invece la rilevazione
sperimentale del liquido di spin quantistico (uno stato della materia
in cui gli elettroni si “frazionalizzano” in fermioni di Majorana), da
parte di un gruppo di fisici dell’ Oak Ridge National Laboratory,
negli Stati Uniti. Ebbene da allora sino ad oggi, sembrerebbe che la
ricerca in tal senso, non abbia fatto altri passi degni di nota, verso
una possibile applicazione pratica di tali scoperte scientifiche. Ma
per capire meglio l’attuale stato dell’arte, ci siamo rivolti al nostro
caro amico Fausto Intilla, che da diversi anni ormai, offre al nostro giornale online, occasionalmente,
l’opportunità di approfondire alcuni argomenti scientifici, attraverso delle brevi interviste ricche di
contenuti e di ottimi spunti di riflessione.
AG: Buongiorno Fausto e bentrovato. Sappiamo che molti laboratori nel mondo, hanno annunciato
qualche tempo fa, l’osservazione di particelle “esotiche” dette fermioni di Majorana, in apposite
strutture superconduttrici. Le loro spettacolari proprietà topologiche, conferiscono a tali particelle una
grande stabilità e dunque, anche delle grandi potenzialità in ambito applicativo. Qual è la tua opinione
a tale proposito? Ritieni che siamo davvero ad un punto di svolta? Possiamo attenderci, già nei
prossimi anni, le prime applicazioni di tali scoperte in ambito tecnologico?
F.I.: La prima cosa da chiarire, è che sino ad oggi, nessuna particella elementare è stata identificata
come fermione di Majorana; ciononostante, la fisica della materia ci offre un terreno alternativo per
creare delle quasiparticelle con delle proprietà simili ai fermioni di Majorana. In effetti, le proprietà
della materia sono dovute agli elettroni. Ognuna di queste particelle elementari interagisce con gli
altri elettroni e con le vibrazioni del reticolo cristallino formato dall’insieme degli atomi di un solido.
Di conseguenza, gli elettroni assumono dei comportamenti collettivi. Risulta quindi più comodo
descrivere tali comportamenti, come quelli di una quasiparticella emergente, piuttosto che come la
somma di una moltitudine di comportamenti individuali degli elettroni. Spesso, queste quasiparticelle
hanno delle proprietà simili a quelle degli elettroni da cui emergono. A volte però, esse manifestano
delle proprietà assai differenti, come nel caso appunto, delle quasiparticelle di Majorana. Per
comprendere l’origine di tali quasiparticelle, occorre però partire dal concetto di antiparticella, nel
campo della materia solida. Nei metalli, gli elettroni (che sono dei fermioni), occupano tutti degli stati
quantistici differenti; come vuole il principio di esclusione di Pauli. Essi riempiono dunque, tutti gli
stati disponibili fino ad una certa energia, chiamata energia di Fermi. Questi elettroni formano ciò
che in genere viene definito mare o liquido di Fermi; ed è proprio dalle eccitazioni di questo liquido,
che emergono le quasiparticelle. Risulta dunque possibile, in tal caso, distinguere gli elettroni creati
sopra il liquido di Fermi e i buchi creati al di sotto di tale liquido. Un buco corrisponde all’assenza di
un elettrone e si comporta come un antielettrone, di carica opposta a quella dell’elettrone. Ora, per
osservare dei fermioni di Majorana, dobbiamo ricorrere all’utilizzo di materiali superconduttori. In
questi materiali, gli elettroni si raggruppano in coppie, a cui occorre fornire un’energia finita per
rompere il loro legame ed eccitare le quasiparticelle; che in sostanza sono delle superposizioni di
buchi ed elettroni. Al di sotto di questa energia, esiste un gap, ovvero una regione inaccessibile alle

2. quasiparticelle. La situazione si fa tuttavia ancora più interessante, nel momento in cui le proprietà
dei superconduttori variano nello spazio; ad esempio ai bordi di tali materiali. In tal caso, gli stati
localizzati possono apparire nel gap. In genere, questi stati appaiono in coppie di energie finite e
opposte rispetto all’energia di Fermi. Tuttavia, in alcuni materiali superconduttori, appare un unico
stato con un’energia uguale all’energia di Fermi. Si tratta in tal caso di superconduttori topologici,
poiché lo stato resta intrappolato (e quindi stabile) a questa energia, fino a quando il gap
superconduttore non si chiude. Questa stabilità deriva dalla natura esotica di tale stato; esso è infatti
costituito da due quasiparticelle localizzate ai bordi opposti del materiale, come se fosse tagliato in
due parti (assumendo una proprietà semi-frazionaria). Ebbene queste quasiparticelle, dal momento
che si comportano l’una come l’antiparticella dell’altra, si possono identificare come fermioni di
Majorana.
AG: Fin qui, ciò che hai spiegato ci appare tutto molto chiaro ed interessante. Tuttavia, siamo rimasti
ancora in ambito prettamente teorico. Cosa puoi dirci in merito alle possibili applicazioni di tale
scoperta, in ambito tecnologico?
F.I.: Innanzitutto, occorre tener presente che le quasiparticelle in questione, identificabili come
fermioni di Majorana, presentano un carattere semi-frazionario; ciò dona loro delle proprietà ancora
più straordinarie rispetto a quelle previste da Ettore Majorana nel 1937, nel suo famoso articolo Teoria
simmetrica dell'elettrone e del positrone. Lo stato in questione, formato da due quasiparticelle di
Majorana spazialmente separate, può essere vuoto oppure occupato. Un tale sistema quantistico a due
livelli potrebbe formare un bit quantistico, ovvero un qubit; l’elemento base per la codifica
dell’informazione in un computer quantistico. Contrariamente a quanto accade per le altre tipologie
di qubit realizzabili, nel caso delle quasiparticelle di Majorana, ci troviamo di fronte ad un sistema
non-locale, in virtù del fatto che i suoi costituenti si trovano spazialmente separati. Un simile sistema,
risulta quindi molto più “forte” e resistente (rispetto ai qubit classici), di fronte alle perturbazioni
locali che ne potrebbero cancellare l’informazione; ed è proprio questa “protezione topologica” che
renderebbe davvero speciali ed “inattaccabili” tali qubit. L’obiettivo principale, è dunque quello di
produrre, osservare e manipolare queste quasiparticelle di Majorana. Il modello più semplice di un
sistema in cui esse potrebbero essere realizzate, è stato proposto nel 2001 dal fisico russo-americano
Alexei Kitaev. Tale sistema corrisponde ad una catena di elettroni senza gradi di libertà interna. Il
fatto però è che oggigiorno, non esiste un materiale conosciuto in grado di rispecchiare un simile
modello. Tuttavia, è possibile realizzarlo attraverso la combinazione di diversi materiali.
Come ho accennato poc’anzi, per realizzare sperimentalmente una catena di Kitaev, è necessario che
gli elettroni che la costituiscono non abbiano dei gradi di libertà interna. Normalmente, per gli
elettroni esistono due spin differenti; dunque è necessario liberarsi di uno dei due elettroni, per avere
una sola tipologia di spin. A tale scopo, si potrebbe applicare un forte campo magnetico che privilegi
gli elettroni aventi lo spin allineato con il campo in questione. Ma in tal caso, il campo andrebbe ad
annullare la superconduttività del materiale utilizzato. Tuttavia, è possibile risolvere il problema
rivestendo un nanofilo semiconduttore (come ad esempio l’arseniuro d’indio) con dell’alluminio (un
superconduttore utilizzato sovente negli esperimenti a basse temperature). In tal caso, il nanofilo
acquisisce dunque le proprietà superconduttrici dell’alluminio, senza tuttavia perdere le proprie
caratteristiche fisiche principali. Adottando questa soluzione, gli elettroni si spostano con una velocità
che dipende dall’orientamento del loro spin e un debole campo magnetico permette di selezionare un
solo orientamento, preservando la superconduttività. In tali condizioni, è possibile rilevare la
comparsa di quasiparticelle di Majorana, misurando una corrente a bassa tensione, attraverso un
contatto metallico posto all’estremità del campione sperimentale. Contrariamente ai superconduttori
tradizionali, dove il gap impedisce il flusso di corrente nel momento in cui si applica una tensione al

3. materiale, la presenza di una quasiparticella di Majorana sul bordo del campione utilizzato, permette
il passaggio di corrente in un superconduttore topologico a bassa tensione. La fase successiva,
consiste nel manipolare tali quasiparticelle, con delle griglie elettrostatiche e dei flussi magnetici, allo
scopo di verificare la loro natura semi-frazionaria.
AG: Forse però a questo punto, occorre chiarire qual è il ruolo che tali quasiparticelle assumono, nel
momento in cui debbono rappresentare dei veri e propri sistemi di informazione quantistica; ovvero
dei qubit. In sostanza, come si arriva al concetto di computer quantistico, sfruttando i principi che
regolano il mondo delle quasiparticelle di Majorana?
F.I.: Ebbene per realizzare un computer quantistico, occorre disporre di un numero molto elevato di
qubit; dunque in ultima analisi, di un grande numero di quasiparticelle di Majorana. In tal caso, un
solo nanofilo ovviamente non basterebbe; tuttavia, molti altri sistemi e strutture più complesse sono
state proposte in ambito sperimentale. Da un punto di vista teorico, l’informazione può essere
codificata, sfruttando la possibilità di manipolare e dunque di cambiare la posizione delle
quasiparticelle di Majorana. Il punto forte in tutto ciò, ovvero a nostro favore, è che abbiamo a che
fare con degli stati quantistici delocalizzati nello spazio; dunque difficilmente intaccabili dal principio
di decoerenza.
AG: Puoi spiegarci brevemente a cosa ti riferisci con principio di decorenza?
F.I.: In un modello di “misura”, ciò che produce la riduzione del pacchetto d'onde, è l'interazione del
sistema con ciò che gli sta attorno (ad esempio lo stesso "apparecchio di misurazione“). Più
generalmente, gli oggetti quantistici non sono mai completamente isolati da ciò che li circonda, dove
per “ciò che li circonda“ si intende tutto ciò che interagisce con il sistema (un apparecchio, delle
molecole d'aria, dei fotoni, ecc...). Le multiple interazioni tra l'oggetto quantistico e “ciò che lo
circonda“, causano una distruzione molto rapida delle interferenze quantistiche del sistema. Le
interferenze sono un fenomeno ondulatorio e caratterizzano un comportamento quantistico. La
distruzione delle interferenze, comporta a sua volta una soppressione delle superposizioni di stati che
caratterizzano l'oggetto quantistico; esso quindi, disponendo unicamente di alcuni stati semplici,
assume immediatamente un comportamento classico. In un oggetto macroscopico (un gatto per
esempio), ogni suo atomo interagisce con tutti gli altri atomi dell'ambiente che gli sta attorno. Tutte
queste interazioni provocano spontaneamente un “ronzio“ di interferenze quantistiche, che spariscono
quasi istantaneamente. Ecco perché la fisica quantistica non si applica alla nostra scala: i sistemi non
sono mai isolati. Questo fenomeno è stato battezzato “decoerenza“, poiché è la distruzione della
coerenza degli stati quantistici che elimina le interferenze. La velocità di decoerenza aumenta con la
grandezza del sistema. Un gatto ad esempio, formato da circa 10^27 particelle, “decoerisce“ in 10^-
23 secondi. Ciò spiega perché non si sono mai visti dei gatti “morti-viventi“ e infine perché la
decoerenza sia così difficile da osservare.
AG: Tornando al concetto di informazione quantistica, nel caso specifico relativo all’eventuale
possibilità di utilizzare dei qubit non classici (per la realizzazione di computer quantistici), ovvero
dei quibit che emergano da sistemi di quasiparticelle di Majorana, sapresti dirci a che punto è arrivata
la ricerca, sino ad oggi?
F.I.: Fino ad oggi purtroppo non sono stati fatti molti passi avanti in tale ambito di ricerca; le nostre
attuali conoscenze teoriche e sperimentali, sono praticamente ferme agli ultimi sviluppi scientifici del

4. 2016. Tuttavia, quest’anno (2018), durante il periodo estivo, all’Istituto Quantistico dell’Università
di Sherbrooke (in Canada), partirà un progetto di ricerca sulle quasiparticelle di Majorana in circuiti
ibridi. L’obiettivo dichiarato è quello di applicare dei nuovi metodi di elettrodinamica quantistica
(QED) in circuiti ibridi, allo scopo di rilevare e manipolare dei sistemi di Majorana in dispositivi
mesoscopici (in pratica, dei dispositivi a metà strada tra il mondo della meccanica quantistica e quello
della fisica newtoniana). Il programma si suddivide in due approcci complementari: il primo, più
fondamentale, mira agli effetti Josephson esotici e alla frazionalizzazione sotto l’influenza delle
interazioni e della topologia. Il secondo invece, più “pratico”, mira all’identificazione di nuove
“firme” di sistemi di Majorana, nell’amplificazione e la compressione della luce quantistica.
AG: Grazie infinite Fausto per la tua preziosa disponibilità e collaborazione, che offri gratuitamente
al nostro giornale online, da molti anni a questa parte.
F.I: Grazie a voi.
Fausto Intilla Altrogiornale – AG
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18.05.2018