La computadora cuántica de Google alcanza un hito en la química

Una versión reducida del chip Sycamore de la compañía realizó una simulación cuántica sin precedentes de una reacción química

La superioridad cuántica, el primer paso

Cuando los investigadores de Google anunciaron el otoño pasado que habían logrado la “superioridad cuántica”, un punto en el que una computadora cuántica puede realizar una tarea que está fuera del alcance de las computadoras regulares, algunas personas se preguntaron cuál era el gran problema. El programa, que comprobaba la salida de un generador de números aleatorios, tenía un valor práctico limitado y no probaba que la máquina de la compañía pudiera hacer algo útil, dijeron los críticos.

Ahora, sin embargo, la computadora cuántica de Google ha logrado algo que podría tener aplicaciones en el mundo real: simular con éxito una simple reacción química. La hazaña señala el camino hacia la química cuántica, que podría ampliar la comprensión de los científicos de las reacciones moleculares y conducir a descubrimientos útiles, como mejores baterías, nuevas formas de hacer fertilizante y mejores métodos para eliminar el dióxido de carbono del aire.

El experimento de superioridad cuántica del año pasado se llevó a cabo en un chip llamado Sycamore, que contenía 53 bits cuánticos superconductores, o qubits. Enfriados hasta casi el cero absoluto, los qubits adquieren propiedades mecánicas cuánticas, permitiendo a los científicos manipularlos de formas más complicadas y útiles que los simples flujos de corriente de “encendido/apagado” que componen los bits de las computadoras clásicas. La esperanza es que un día, los ordenadores cuánticos sean lo suficientemente potentes como para realizar rápidamente cálculos que tardarían el tiempo de vida del universo en completarse para un ordenador clásico.

Un ordenador cuántico en el laboratorio de Google en California
Google AI Quantum, foto de James Crawford
Un ordenador cuántico en el laboratorio de Google en California
Google AI Quantum, foto de James Crawford

Este experimento de química cuántica, que se describió en la edición del 28 de agosto de la revista Science, se basó en el mismo diseño básico de Sycamore, aunque sólo utilizó 12 qubits. Pero demuestra la versatilidad del sistema, dice Ryan Babbush, el investigador a cargo del desarrollo de algoritmos para el proyecto de Google. “Demuestra que, de hecho, este dispositivo es un ordenador cuántico digital completamente programable que puede ser utilizado para cualquier tarea que se intente”, dice.

El experimento cuántico

El equipo simuló primero una versión simplificada del estado de energía de una molécula que consiste en 12 átomos de hidrógeno, con cada uno de los 12 qubits representando un solo electrón de un átomo. Luego modelaron una reacción química en una molécula que contenía átomos de hidrógeno y nitrógeno, incluyendo cómo la estructura electrónica de esa molécula cambiaría cuando sus átomos de hidrógeno se desplazaran de un lado a otro. Debido a que la energía de los electrones dicta la rapidez con la que se produce una reacción a una temperatura determinada o a una concentración de diferentes moléculas, tales simulaciones podrían ayudar a los químicos a comprender exactamente cómo funciona esa reacción y cómo cambiaría si alteraran la temperatura o el cóctel químico.

La simulación que realizaron los investigadores, conocida como el procedimiento Hartree-Fock, también puede realizarse en un ordenador clásico, por lo que no demostró por sí misma la superioridad de un ordenador cuántico. Y se ejecutó con la ayuda de un ordenador clásico, que utilizó el aprendizaje por máquina para evaluar cada cálculo y luego perfeccionar nuevas rondas de simulación cuántica. Pero la hazaña valida los métodos subyacentes del proyecto, que serán parte integral de futuras simulaciones de química cuántica, dice Nicholas Rubin, un científico investigador del equipo cuántico de Google. Y fue el doble de grande que el anterior cálculo de química de récord hecho en un ordenador cuántico.

Los pasos hacia el futuro

En 2017, IBM realizó una simulación de química cuántica usando seis qubits. Rubin dice que ese resultado describió un sistema molecular con un nivel de complejidad que los científicos de los años 20 podían calcular a mano. Al duplicar esa cifra a 12 qubits, el proyecto de Google abordó un sistema que podía ser calculado con una computadora de la década de 1940. “Si lo duplicamos de nuevo, probablemente iremos a algo como 1980”, añade Babbush. “Y si lo duplicamos de nuevo, entonces probablemente estaremos más allá de lo que se podría hacer clásicamente hoy en día.”

Las simulaciones en química cuántica permitirán el desarrollo de materiales con características únicas
Las simulaciones en química cuántica permitirán el desarrollo de materiales con características únicas

Hasta ahora, ningún ordenador cuántico ha logrado lo que un ordenador clásico no pudo, dice Xiao Yuan, un investigador postdoctoral del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Stanford, que escribió un comentario que acompañaba al artículo de Google en Ciencia. Incluso el logro de la superioridad cuántica de la compañía en 2019 fue cuestionado por los investigadores de IBM, que mostraron una forma de lograr los mismos resultados en una supercomputadora en dos días y medio, aunque la versión de Google tardó poco más de tres minutos. Pero, según Yuan, el experimento de química cuántica es un paso importante hacia una meta mayor. “Si podemos usar una computadora cuántica para resolver una pregunta clásicamente difícil y significativa, esa sería realmente la noticia más emocionante”, añade.

No hay ninguna razón teórica por la que los científicos no puedan lograr ese objetivo, dice Yuan, pero el desafío técnico de pasar de unos pocos qubits a varios cientos -y eventualmente a muchos más- requerirá mucha ingeniería complicada. Una computadora cuántica de propósito general con millones de qubits requerirá el desarrollo de protocolos de corrección de errores, un problema particularmente arduo que puede tomar una década o más para resolverse. Pero los llamados ruidosos ordenadores cuánticos de escala intermedia, que no tienen una corrección de errores completa, podrían seguir siendo útiles mientras tanto.

La química y la computación cuántica

La química está bien emparejada con la computación cuántica, porque una reacción química es intrínsecamente cuántica, dice Alán Aspuru-Guzik, un pionero de la química cuántica en la Universidad de Toronto. Para modelar completamente tal reacción, uno debe conocer los estados cuánticos de todos los electrones involucrados. ¿Y qué mejor manera de modelar un sistema cuántico que utilizar otro sistema cuántico? Mucho antes de que los ingenieros desarrollen un ordenador cuántico generalmente programable, los dispositivos con un puñado de qubits deberían ser capaces de superar a los ordenadores clásicos en un subconjunto de problemas interesantes en química, dice Aspuru-Guzik. “Así que esto es algo grande, pero no es el final de la historia”, añade.

Por ejemplo, Aspuru-Guzik está buscando mejores materiales para las baterías para almacenar la energía producida por las turbinas eólicas y las células solares. Estos materiales tienen propiedades que pueden entrar en conflicto: deben ser lo suficientemente reactivos para cargarse y descargarse rápidamente, pero también lo suficientemente estables para evitar que exploten o se incendien. Los modelos informáticos de las reacciones podrían ayudar a identificar los materiales ideales para esa difícil tarea. Esos modelos también podrían ser importantes para el desarrollo de nuevos medicamentos.

Inteligencia artificial, otro as bajo la manga

Aún así, los ordenadores cuánticos pueden no ser la única forma revolucionaria de modelar las reacciones químicas, dice Aspuru-Guzik. Es posible que la inteligencia artificial pueda desarrollar algoritmos lo suficientemente eficientes para ejecutar simulaciones utilizables en computadoras clásicas. Para cubrir sus apuestas, su laboratorio trabaja en ambas posibilidades: está desarrollando nuevos algoritmos para ejecutarse en ordenadores cuánticos de rango medio y creando robots impulsados por la IA para descubrir nuevos tipos de materiales.

Pero el trabajo de Google hace que Aspuru-Guzik sea optimista en cuanto a que la computación cuántica puede resolver problemas interesantes en un futuro no muy lejano. “Esto es lo mejor que una computadora cuántica puede hacer hoy en día”, dice. “Pero hay mucho trabajo, tanto en el hardware como en el software, para conseguirlo.”

Para más información Google performed the first quantum simulation of a chemical reaction