Computación cuántica más allá del hidrógeno y el helio

Los ordenadores cuánticos podrían ser el futuro de la química computacional si pudieran calcular las propiedades de moléculas que suponen un problema para los ordenadores digitales. Los sistemas cuánticos actuales están lejos de conseguir este objetivo, pero un ordenador cuántico de IBM acaba de conseguir un gran hito: ha realizado el primer cálculo con moléculas de algo diferente a tan sólo hidrógeno y helio.

Los ordenadores digitales realizan cálculos para describir propiedades como la energía fundamental de una molécula usando la ecuación de onda de Schrödinger para calcular unos parámetros conocidos como funciones de onda. No obstante, los ordenadores digitales sólo pueden resolver esos problemas de forma exacta debido a la enorme complejidad de las múltiples interacciones entre las diferentes partículas subatómicas de los compuestos grandes. 

Con los ordenadores digitales, “no pueden encontrarse soluciones exactas, ni siquiera puede hacerlo el ordenador más rápido trabajando durante toda la vida del universo,” dice el químico teórico Donald Truhlar de la Universidad de Minnesota, que no participó en este estudio. “Los ordenadores cuánticos no requieren tiempos exponenciales para resolver sistemas cada vez más grandes, así que no tienen las mismas limitaciones.”

En lugar de unos y ceros, los ordenadores cuánticos usan qubits – detectores magnéticos muy sensibles llamados “dispositivos superconductors de interferencia cuántica.” Como los qubits son, por sí mismos, sistemas cuánticos, pueden representar los estados cuánticos de las moléculas directamente, algo que los bits digitales no pueden hacer. Pero las limitaciones técnicas impiden que los ordenadores usen muchos qubits, y al mismo tiempo no permiten que los qubits corrijan sus propios errores. Por este motivo, los ordenadores cuánticos se limitaban a calcular propiedades de moléculas muy sencillas como el dihidrógeno o el hidruro de helio usando procesadores de dos qubits.

Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo y sus colaboradores en el centro de investigación Thomas J. Watson de IBM han utilizado seis de los siete qubits de un ordenador cuántico para calcular la energía del estado fundamental del hidruro de litio y el hidruro de berilio (Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23879). Han conseguido esto usando un procesador con más qubits que los usados en estudios previos, así como optimizando un algoritmo para reducir el número de qubits y operaciones cuánticas necesarias para simular moléculas grandes.

Esto pone a IBM a la cabeza del desarrollo de aplicaciones para computación cuántica, comenta el experto Alán Aspuru-Guzik de la Universidad de Harvard. Sin embargo, dice, IBM podría ser superado muy pronto por sus principales competidores en este campo, Google y Microsoft. La computación cuántica podría tener aplicaciones en química como el descubrimiento de nuevos medicamentos o el cálculo de las propiedades de nuevos materiales, dice Aspuru-Guzik.

IBM promociona su programa de química cuántica, llamado IBM Q, dando acceso gratuito a los químicos a un ordenador capaz de calcular la energía fundamental de moléculas como H₂ e LiH.

Traducción al español producida por Fernando Gomollón Bel de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.