Computación cuántica aplicada a la química por primera vez
Hay grandes expectativas de que las computadoras cuánticas puedan ofrecer nuevas posibilidades revolucionarias para simular procesos químicos. Esto podría tener un gran impacto en todo, desde el desarrollo de nuevos productos farmacéuticos hasta nuevos materiales. Investigadores de la Universidad de Chalmers ahora, por primera vez en Suecia, han utilizado una computadora cuántica para realizar cálculos dentro de un caso de la vida real en química.
“En teoría, las computadoras cuánticas podrían usarse para manejar casos en los que los electrones y los núcleos atómicos se mueven de formas más complicadas. Si podemos aprender a utilizar todo su potencial, deberíamos poder avanzar en los límites de lo que es posible calcular y comprender”, dice Martin Rahm, profesor asociado de Química Teórica en el Departamento de Química e Ingeniería Química, quien ha dirigido el estudiar.
Dentro del campo de la química cuántica, las leyes de la mecánica cuántica se utilizan para comprender qué reacciones químicas son posibles, qué estructuras y materiales se pueden desarrollar y qué características tienen. Dichos estudios normalmente se llevan a cabo con la ayuda de supercomputadoras, construidas con circuitos lógicos convencionales. Sin embargo, existe un límite para los cálculos que pueden manejar las computadoras convencionales. Debido a que las leyes de la mecánica cuántica describen el comportamiento de la naturaleza a nivel subatómico, muchos investigadores creen que una computadora cuántica debería estar mejor equipada para realizar cálculos moleculares que una computadora convencional.
“La mayoría de las cosas en este mundo son inherentemente químicas. Por ejemplo, nuestros portadores de energía, tanto en la biología como en los automóviles antiguos o nuevos, están formados por electrones y núcleos atómicos dispuestos de diferentes maneras en moléculas y materiales. Algunos de los problemas que resolvemos en el campo de la química cuántica son calcular cuáles de estos arreglos son más probables o ventajosos, junto con sus características”, dice Martin Rahm.
El nuevo método minimiza los errores en los cálculos químicos cuánticos
Todavía queda un camino por recorrer antes de que las computadoras cuánticas puedan lograr lo que buscan los investigadores. Este campo de investigación aún es joven y los cálculos de modelos pequeños que se ejecutan se complican por el ruido del entorno de la computadora cuántica. Sin embargo, Martin Rahm y sus colegas ahora han encontrado un método que ven como un importante paso adelante. El método se llama Mitigación de errores de estado de referencia (REM) y funciona al corregir los errores que ocurren debido al ruido utilizando los cálculos de una computadora cuántica y una computadora convencional.
“El estudio es una prueba de concepto de que nuestro método puede mejorar la calidad de los cálculos de química cuántica. Es una herramienta útil que utilizaremos para mejorar nuestros cálculos en computadoras cuánticas en el futuro”, dice Martin Rahm.
El principio detrás del método es considerar primero un estado de referencia describiendo y resolviendo el mismo problema tanto en una computadora convencional como en una cuántica. Este estado de referencia representa una descripción más simple de una molécula que el problema original que la computadora cuántica pretendía resolver. Una computadora convencional puede resolver rápidamente esta versión más simple del problema. Al comparar los resultados de ambas computadoras, se puede hacer una estimación exacta de la cantidad de error causado por el ruido. La diferencia entre las soluciones de las dos computadoras para el problema de referencia se puede usar para corregir la solución del problema original, más complejo, cuando se ejecuta en el procesador cuántico. Al combinar este nuevo método con datos de la computadora cuántica Särimner* de Chalmers, los investigadores lograron calcular la energía intrínseca de pequeñas moléculas de ejemplo, como el hidrógeno y el hidruro de litio. Los cálculos equivalentes se pueden realizar más rápidamente en una computadora convencional, pero el nuevo método representa un avance importante y es la primera demostración de un cálculo químico cuántico en una computadora cuántica en Suecia.
“Vemos buenas posibilidades para un mayor desarrollo del método que permita cálculos de moléculas más grandes y más complejas, cuando la próxima generación de computadoras cuánticas esté lista”, dice Martin Rahm.
Computadora cuántica construida en Chalmers
La investigación se ha realizado en estrecha colaboración con colegas del Departamento de Microtecnología y Nanociencia. Construyeron las computadoras cuánticas que se utilizan en el estudio y ayudaron a realizar las mediciones sensibles que se necesitan para los cálculos químicos.
“Solo mediante el uso de algoritmos cuánticos reales podemos entender cómo funciona realmente nuestro hardware y cómo podemos mejorarlo. Los cálculos químicos son una de las primeras áreas en las que creemos que las computadoras cuánticas serán útiles, por lo que nuestra colaboración con el grupo de Martin Rahm es especialmente valiosa”, dice Jonas Bylander, profesor asociado de Tecnología Cuántica en el Departamento de Microtecnología y Nanociencia.
