Una exitosa colaboración de científicos de la Universidad de Columbia y Google Quantum AI ha generado un innovador algoritmo que posibilita el cálculo exacto de la energía molecular mediante computadoras cuánticas. Este avance impresionante abre camino a la creación de materiales nunca antes vistos. El funcionamiento de este algoritmo se basa en el uso de la mayor cantidad de bits cuánticos jamás producto para definir la energía del estado fundamental, término que describe el nivel más bajo de energía en un sistema mecánico cuántico.
Este revolucionario trabajo de investigación se dio a conocer en la publicación científica de renombre mundial Naturaleza.
Algoritmo cuántico para calcular la energía del estado fundamental
El algoritmo fue concebido y desarrollado por el prestigioso profesor de química David Reichman y el postdoctorado Joonho Lee, ambos de la Universidad de Columbia, en conjunto con un equipo de expertos de Google Quantum AI. La aportación principal de esta nueva herramienta se basa en la disminución de los errores estadísticos causados por los bits cuánticos durante el cálculo de las ecuaciones químicas. Para su funcionamiento, se apoya en el uso de hasta 16 qubits (bits cuánticos) de la computadora Sycamore de 53 qubits de Google, para determinar la energía del estado fundamental, o sea, el nivel de energía más bajo existente en una molécula.
«Son los cálculos de química cuántica más grandes nunca realizados en un sistema cuántico real», afirmó el entusiasmado profesor Reichman.
El algoritmo permite a los químicos calcular con exactitud la energía del estado fundamental, lo que les dará la capacidad de desarrollar nuevos tipos de materiales. Un ejemplo de aplicación sería la creación de materiales que optimicen la fijación de nitrógeno para uso en agricultura. Sin embargo, este es solo un ejemplo en un mar de posibilidades que se abren para mejorar la sostenibilidad, como destaca el investigador Joonho Lee, quien se encuentra en Google Quantum AI.
El algoritmo emplea un sistema de simulación Monte Carlo cuántico, un conjunto de métodos ideados para calcular la probabilidad en situaciones donde coexisten múltiples variables aleatorias desconocidas. Los especialistas han implementado exitosamente el algoritmo para identificar la energía del estado fundamental de tres tipos de moléculas distintas.
Determinar la energía del estado fundamental implica tener en cuenta una gran cantidad de variables, como la cantidad de electrones presentes en una molécula, la orientación de su espín (rotación) y las trayectorias que siguen cuando orbitan alrededor de un núcleo. La energía de los electrones está codificada en la ecuación de Schrödinger, que se vuelve extremadamente compleja al incrementar de tamaño las moléculas sujetas a cálculo. A pesar de ciertos métodos existentes que facilitan este proceso, es en este punto donde las computadoras cuánticas pueden ayudar a sortear la creciente dificultad derivada del aumento exponencial.
La computación cuántica y la resolución de cálculos más grandes y complejos
Teóricamente, las computadoras cuánticas tienen la capacidad de llevar a cabo cálculos de mayor tamaño y complejidad, ya que los qubits se aprovechan de los estados cuánticos. Los qubits pueden coexistir en dos estados a la vez, una propiedad que no se manifesta en los dígitos binarios. Sin embargo, los qubits son frágiles y su precisión va en descenso a medida que su número aumenta. Lee diseñó el algoritmo innovador para maximizar la potencialidad de las computadoras tanto cuánticas como clásicas para resolver estas complejas ecuaciones de manera más eficaz y minimizando los errores al mismo tiempo.
«Es lo mejor de ambos mundos», dijo Lee. «Nos aprovechamos de las herramientas que ya teníamos disponibles y de las que son consideradas la última palabra en ciencia de la información cuántica para perfeccionar la química computacional cuántica», concluye Lee orgulloso.
Para calcular la energía del estado fundamental, el récord anterior se basó en 12 qubits y un método del tipo solucionador propio cuántico variacional (VQE, por sus siglas en inglés). Sin embargo, un fallo de este sistema es que no considera los efectos que produce la interacción de los electrones en el cálculo, un aspecto crucial para determinar la energía del estado fundamental. Según Lee, se podrían incorporar técnicas de corrección de ordenadores clásicos para apoyar a los químicos con el manejo de moléculas más grandes.
Los cálculos de última generación, producto de la combinación de sistemas clásicos y cuánticos, han demostrado una precisión comparable a algunos de los mejores métodos clásicos. Esto conduce a pensar que los problemas de alta complejidad podrían resolverse con mayor precisión y velocidad con el uso de una computadora cuántica.
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