El pasado otoño, cuando los investigadores de Google anunciaron que habían alcanzado la «supremacía cuántica» (el punto en que un ordenador cuántico puede resolver una tarea que está fuera del alcance de los dispositivos clásicos), algunos expertos minimizaron su logro. El programa, que verificaba la salida de un generador de números aleatorios, tenía escaso valor práctico y no demostraba que la máquina de la compañía pudiera hacer algo útil, objetaron los críticos.
Pero el ordenador cuántico de Google acaba de lograr algo que sí podría encontrar aplicaciones en el mundo real: simular con éxito una reacción química sencilla. La hazaña señala un nuevo camino para la química cuántica, que podría ayudarnos a comprender mejor las reacciones moleculares y conducir a descubrimientos valiosos, como baterías más eficientes, nuevos métodos para producir fertilizantes y mejores técnicas para retirar el dióxido de carbono del aire.
El experimento de supremacía cuántica del pasado año se realizó con un chip denominado Sycamore, que constaba de 53 bits cuánticos superconductores, o qubits. Al enfriarlos a temperaturas cercanas al cero absoluto, los qubits adquieren propiedades cuánticas; gracias a eso, los científicos pueden manipularlos de formas más complejas y útiles que las que permiten los sencillos flujos de corriente eléctrica que definen los estados «apagado» y «encendido» de un bit tradicional. La esperanza es que los procesadores cuánticos lleguen a ser tan potentes como para resolver con rapidez cálculos que a un ordenador clásico le llevarían un tiempo mayor que la vida del universo.
Este experimento de química cuántica, descrito el 28 de agosto en revista Science, se basó en el mismo diseño del chip Sycamore, aunque solo se emplearon 12 qubits. Su consecución pone de manifiesto la versatilidad del sistema, apunta Ryan Babbush, investigador responsable del desarrollo de algoritmos para el proyecto de Google. «Muestra que este dispositivo es un ordenador cuántico digital completamente programable, que podemos usar para cualquier tarea que se nos ocurra.»
En primer lugar, el equipo simuló una versión simplificada del estado de energía de una molécula formada por 12 átomos de hidrógeno, con cada uno de los 12 cúbits representando un electrón. A continuación, modelizaron una reacción química en una molécula compuesta por átomos de hidrógeno y nitrógeno, incluidos los cambios en la estructura electrónica de la molécula cuando los átomos de hidrógeno pasan de un lado a otro. Como la energía de los electrones dicta la velocidad a la que procede una reacción para una determinada temperatura y concentración de las distintas especies, este tipo de simulaciones podrían ayudar a los químicos a comprender mejor el mecanismo de la reacción y cómo depende de la temperatura o del cóctel químico.
La simulación que llevaron a cabo los investigadores, conocida como procedimiento de Hartree-Fock, también puede implementarse en un procesador tradicional, de modo que, por sí sola, no demuestra la supremacía cuántica. Además, la ejecutaron con la ayuda de un ordenador clásico, que empleó aprendizaje automático para evaluar cada cálculo y refinar las siguientes iteraciones de la simulación cuántica. No obstante, este logro sirve para validar los métodos del proyecto, que resultarán esenciales en futuras simulaciones de química cuántica, según Nicholas Rubin, investigador del equipo de computación cuántica de Google. Y fue el doble de complejo que el mayor cálculo químico efectuado hasta la fecha en un ordenador cuántico.
En 2017, IBM llevó a cabo una simulación de química cuántica empleando seis qubits. Rubin asegura que el resultado describía un sistema molecular con un nivel de complejidad que podrían haber calculado a mano los científicos de la década de 1920. Al duplicar el número de qubits, el proyecto de Google abordó un sistema que podría haberse caracterizado con un ordenador de los años cuarenta. «Si lo duplicamos de nuevo, tal vez nos pongamos en 1980», explica Babbush. «Y si lo duplicamos una vez más, seguramente iremos más allá de lo que puede se puede hacer clásicamente hoy en día.»
Hasta ahora, ningún ordenador cuántico ha conseguido algo que no esté al alcance de uno clásico, subraya Xiao Yuan, investigador posdoctoral en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Stanford, que escribió un comentario que acompaña al artículo de Google en Science. Los investigadores de IBM llegaron incluso a cuestionar que Google hubiera alcanzado la supremacía cuántica en 2019 y mostraron una manera de obtener los mismos resultados con un superordenador en dos días y medio, si bien la versión de Google había tardado poco más de tres minutos. Sin embargo, Yuan considera que el nuevo experimento de química cuántica supone un gran paso hacia un objetivo importante. «La noticia más emocionante sería que pudiéramos usar un ordenador cuántico para resolver un problema difícil y relevante desde el punto de vista clásico», añade.
Y no existe ningún motivo teórico que nos impida conseguirlo, prosigue Yuan, pero el desafío técnico que supone el pasar de unos pocos qubits a varios cientos de ellos (o incluso muchos más, con el tiempo) requerirá una complicada labor de ingeniería. Un dispositivo cuántico de uso general con millones de qubits exigirá el desarrollo de protocolos de corrección de errores, un problema particularmente arduo que podríamos tardar más de una década en resolver. Entretanto, los ordenadores cuánticos de «escala intermedia ruidosa», que carecen de una corrección completa de errores, podrían resultar útiles.
La química encaja bien con la computación cuántica, ya que las reacciones químicas son intrínsecamente cuánticas, explica Alán Aspuru-Guzik, pionero de la química cuántica de la Universidad de Toronto. A fin de modelizar de manera detallada una reacción, necesitamos conocer los estados cuánticos de todos los electrones implicados. Y ¿qué mejor manera de simular un sistema cuántico que mediante otro sistema cuántico? En opinión de Aspuru-Guzik, mucho antes de que los ingenieros logren desarrollar un ordenador cuántico programable de uso general, los dispositivos con un puñado de qubits deberían superar a los ordenadores clásicos en una serie de problemas químicos interesantes. «Así que se trata de un avance importante, pero la historia no termina aquí», vaticina.
Por ejemplo, Aspuru-Guzik busca mejores materiales para las baterías que almacenan la energía producida por turbinas eólicas y placas solares. Dichos materiales deberían poseer propiedades aparentemente contradictorias: han de ser lo bastante reactivos como para cargarse y descargarse con rapidez, pero también lo bastante estables como para no explotar ni incendiarse. Los modelos informáticos de las reacciones ayudarían a identificar los materiales óptimos para esa tarea. Y esos modelos también podrían ser importantes en la búsqueda de nuevos fármacos.
Aun así, puede que los ordenadores cuánticos no sean la única manera revolucionaria de modelizar reacciones químicas, comenta Aspuru-Guzik. La inteligencia artificial podría dar lugar a algoritmos eficientes que permitan ejecutar simulaciones útiles en ordenadores clásicos. Para curarse en salud, su laboratorio trabaja en ambas posibilidades: desarrolla nuevos algoritmos para procesadores cuánticos de escala intermedia y crea robots gobernados por IA para descubrir nuevos tipos de materiales.
La gesta de Google hace que Aspuru-Guzik sea optimista respecto a la posibilidad de que la computación cuántica resuelva problemas interesantes en un futuro no muy lejano. «Esto es lo máximo que puede conseguir un ordenador cuántico ahora mismo», concluye. «Aún queda mucho por hacer, en cuanto a componentes y a programas, para llegar a ese punto.»
Neil Savage
Referencia: «Hartree-Fock on a superconducting qubit quantum computer», Googe AI Quantum y colaboradores en Science, vol. 369, págs. 1084-1089, 28 de agosto de 2020.
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